发酵批报分析专家(FRAE)使用介绍(共22页)

1、FRAE 使用手册 来自发酵人第 PAGE 26 页 共 NUMPAGES 26 页发酵(f jio)批报分析(fnx)专家（FRAE）使用(shyng)介绍 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc228442585 I.安装环境 图 1）。图 SEQ 图 * ARABIC 1 软件位置1.2点击确定，开始安装，在安装之前要关闭office软件，包括word, excel, powerpoint等（见 REF _Ref166573463 h * MERGEFORMAT 图 2）。图 SEQ 图 * ARABIC 2安装(nzhung)过程11.3点击开始安装(nzhu

2、ng)按扭，进行安装，可更改安装(nzhung)目录（见 REF _Ref166573594 h * MERGEFORMAT 图 3）。然后程序自动完成安装。图 SEQ 图 * ARABIC 3安装过程21.4如果安装过程有问题，请打开任务管理器窗口（见 REF _Ref166573819 h * MERGEFORMAT 图 4），检查进程中是否有office程序，如果有，请关闭office程序，退出安装，再重新进行安装，如果程序不能自动退出，请在任务管理器窗口中结束，一般如果点击退出按钮不可退出时，可点击窗口右上角的“”。如果是商业版请拨打电话服务电话，如果是学习版请致信给我们，或登陆发酵人

3、网站，发贴求助。图 SEQ 图 * ARABIC 4任务(rn wu)管理器软件(run jin)激活2.1点击(din j)开始按钮，找到FREA程序，然后执行。程序自动检测软件是否已经激活，如果没有激活，在操作提示栏中提示“请先激活软件后，再使用，激活码请联系发酵人， HYPERLINK mailto:或 或 REF _Ref172533991 h * MERGEFORMAT 图 5.图 SEQ 图 * ARABIC 5未激活的软件提示图 SEQ 图 * ARABIC 6登录(dn l)窗口2.2用户(yngh)需要(xyo)打开菜单 “文件”，然后再点击“软件激活”项。这时出现登录窗口

4、REF _Ref172534062 h * MERGEFORMAT 图 6。如果没有激活码，请联系发酵人。有了激活代码之后，在登录窗口中输入，点击确定，如果激活码正确，那么FREA将在激活后关闭。这里需要用户重新启动。如果密码丢失或不正确请与发酵人网站联系，在联系时，请告之“用户信息”号（ REF _Ref166574129 h * MERGEFORMAT 图 7）。例如 REF _Ref172534062 h * MERGEFORMAT 图 6中的-2138190843图 SEQ 图 * ARABIC 7激活完成后需要重启FRAE2.3 激活后，登录窗口将不再出现，除非licence文件失效

5、。重新启动后，出现FREA 主界面（ REF _Ref172534261 h * MERGEFORMAT 图 8）。图 SEQ 图 * ARABIC 8 FRAE主界面记录集扫描分析打开记录文件点击快捷按钮，可将存入批记录的xls文件调入系统，进行分析（ REF _Ref172534428 h * MERGEFORMAT 图 9）.图 SEQ 图 * ARABIC 9打开(d ki)文件对话窗文件(wnjin)分析FRAE自动激活(j hu)快捷工具按钮 “文件分析”。这时FRAE提示：“正在对记录进行预分析，时间会比较长，请耐心等待”（ REF _Ref172534766 h * MERGE

6、FORMAT 图 10），之后如果出现窗口（ REF _Ref172534840 h * MERGEFORMAT 图 11），说明记录可用，并且FRAE会自动激活“参数设置”快捷按钮。这一步FRAE对用户打开的文件进行分析。如果用户是学习版，则权限会受到限制（具体请咨询发酵人网站）：,取样个数不能超过20个（ REF _Ref172535083 h * MERGEFORMAT 图 13），同时分析的因素数不能超过6个（ REF _Ref172535064 h * MERGEFORMAT 图 12）。另外分析的批报个数上限为50批。如果用户记录的数据区中有非数字符号或其它数据列中有空白列，那么会

7、出现报警信息（ REF _Ref172535098 h * MERGEFORMAT 图 14），如果在文件分析时，出现错误，就会有报警与操作提示（ REF _Ref172535113 h * MERGEFORMAT 图 15）。如果出现 REF _Ref172535098 h * MERGEFORMAT 图 14报警，请认真检查记录或批报。如果自己解决不了，请联系我们。图 SEQ 图 * ARABIC 10程序(chngx)对记录进行预分析图 SEQ 图 * ARABIC 11数据正常(zhngchng)提示图 SEQ 图 * ARABIC 12学习版权限(qunxin)报警图 SEQ 图 *

8、 ARABIC 13学习版权限报警图 SEQ 图 * ARABIC 14记录出错报警图 SEQ 图 * ARABIC 15程序(chngx)出错报警参数(cnsh)设定：点击(din j)之后，出现参数设定窗口（ REF _Ref172530223 h * MERGEFORMAT 图 16）在这里程序已经将记录批报的行列信息（时间参数和因变量参数）存到了列表框之中，如果用户对高级参数满意，就不用重新设定，如果用户对程序优化的时间不满意，那么FREA提供了两种设置方法：第一种是手动设置（选定“手动”复选框），如果时间没有规律或为小数，这时用户可以用这种方法一个一个的进行设置。每输入一次要点击“增

9、加”按钮，数据添加到其右侧的列表窗中，用户不用担心输入的顺序，因为FREA自动将用户的输入进行排序；第二种方法是自动设置（使“手动”复选框处于未选定状态），这时需要用户在相应的文本框中输入参数，之后点击“确定”按钮，这时FREA经过计算之后，将时间暂时保存到了“时间参数”列表框中。如果设置满意，请点击“确定”按钮，这时FREA将这些数据转存到了“高级参数设置”栏中的时间列表中。如果不满意，就点击“恢复默认”按钮，这时FREA将会使时间设置恢复至初始状态。在参数设置对话窗口，用户可以对参数进行分类设置，这一功能提供给用户在进行工艺参数分析时，去除不必要的干扰。而且每多一级分类，用户选择因素差距的

10、显著性越强，如果数据足够，多级分析的结论将越来越可靠，但是分析的记录数据量在增加分类的同时会相应的减少，具体分析和讨论请到发酵人论坛。在高级设置框中，需要用户在“因变量参数”下拉列表中选择因变量参数，在批记录数量中输入打开的excel文件中的批记录数量，以及其它参数，参数的意义参考名词解释。图 SEQ 图 * ARABIC 16批报分析参数设定(sh dn)窗口在本窗口中可以完成(wn chng)因变量选择。需要填写批记录数量，异常高去除和异常低去除和容忍时间差等参数，如果需要进行分类统计(tngj)，可以在分类设置中选择相应的参数，比如上图中选择了以在线pH的第1个取样点为分类点。记录扫描分

11、析参数设定好之后，点击“返回”按钮，回到主窗口。然后点击 “记录扫描按钮”，这时FREA开始对符合要求的记录集进行分析。并将结果以图形和颜色的形式表现在“主绘图区经验值”（ REF _Ref172535691 h * MERGEFORMAT 图 17），当用户鼠标指在一个方块上时，系统会提示当前的状态和经验值。分析结果以不同的色彩表示。因变量与自变量关联性越强，红色越深，反之越浅。每一个方块蕴涵丰富的信息，具体的数学方法在培训过程中由技术工程师进行讲解，也可以登陆 HYPERLINK 进行更具体的讨论。每一个点的信息可以分解在2个辅助绘图区图 SEQ 图 * ARABIC 18主绘图(hu t

12、)区经验值分析辅助(fzh)绘图区辅助绘图区分为2个区，一个(y )是平均值区和T值区。具体的数学方法在发酵人论坛中进行讨论。图 SEQ 图 * ARABIC 19辅助绘图区中的信息返回初始状态当参数设置多次后，分析状态与初始状态之间存在很大的差异，这时需要用户重新打开文件进行分析。可以通过“数据分析”菜单的“重新开始”项实现。另外当用户在打开文件时，提示文件错误，提示用户是否关闭程序，用户可以点“取消”按钮。之后需要重新开始，在系统初始化后，提示打开文件时，再打开新文件。参数(cnsh)优化功能图 SEQ 图 * ARABIC 20参数优化功能(gngnng)，pH与效价关系图图中给出了pH

13、相对高低发酵单位的两个范围。红色代表高批号的pH范围，蓝色代表低批号的pH范围。分析专家提示：选定(xun dn)参数要控制到红色通道内。同时避免走蓝色通道（ REF _Ref199685579 h 图 19）。帮助点击快捷按钮也可以查到帮助方式。目前还没有联机帮助。名词解释每组数据量是指：在进行分类分析时，每一类中批记录数的最低数量。批记录数量：打开的excel文件中的批记录数量，这个值在用户点击“设定分析”按钮之后，可能被FREA自动修改，因为存在不符合用户要求的记录。这时用户可以对这一数据进行修改，但是记录数量不得高于FREA计算的值。因变量参数：是指参数分析中因变量，本软件的目的就是向

14、用户提供批记录所有参数与这一变量之间关系工具。异常去除：在FREA进行数据分析时，为了保证分析数据的可靠，对一些异常记录进行删除。异常高去除，就是指删除的异常高值的数量；异常低去除，就是指删除的异常低值的数量；容忍时间：是指批次中如果取样时间与标准时间超过这一限度将在计算中被忽略。因此用户的批记录的数量与实际是不相同的，所以为了保证分析的质量，用户提供批记录的数量越多越好。注意事项：5.1 批记录(jl)数量越多效果(xiogu)越好，批报数不相同，可能得出的结论(jiln)会不同，记录数越多，规律可靠性越大。5.2当出现异常时，需要重新启动本程序，如果还是不能解决，请联系我们 。5.3 从图

15、中可以得出许多潜在的规律，因此工艺分析人员要结合实际情况进行分析，并从这些结论中，分析产生的原因。5.4 在安装目录下，找到名为”record.xls”的电子表格，然后按照这一格式（见 REF _Ref166595540 h * MERGEFORMAT 表 1），填写数据，前两行不能写数据，否则会产生异常。每增加一批数据，请插入一个“sheet”，不要有空的sheet.5.5 用户的报表不要设置密码保护，否则可能会出现异常。表 SEQ 表 * ARABIC 1批记录格式（以发酵批报为例）发酵工艺批报时间pH总糖还 原 糖氨基氮效价生物效价粘度PMV组分B联系方式：A、E.mail HYPERL

16、INK mailto: B、或登录 HYPERLINK 给 网站管理员“细履平沙”留言C、或向发行商索要服务电话。软件应用附一份华东理工大学硕士论文第三章。这一章中是这一软件的典型应用。应用新型分析方法挖掘红霉素发酵批报有效信息前言(qin yn) 目前，科研人员在发酵过程优化方面的研究涉及两方面的工作：实验和模型。实验数据是模型的基础，而模型可以使实验安排得更加合理和可靠，更易于实现过程的最优化，因此如何建立模型成为了研究人员关注(gunzh)的焦点 ADDIN EN.CITE Lee20067717Lee, K. M.Gilmore, D. F.Arkansas State Univers

17、ity, Environmental Sciences Program, State University, AR 72467. klee0922yahoo.co.krStatistical experimental design for bioprocess modeling and optimization analysis: repeated-measures method for dynamic biotechnology processAppl Biochem BiotechnolApplied biochemistry and biotechnologyAppl Biochem B

18、iotechnolApplied biochemistry and biotechnologyAppl Biochem BiotechnolApplied biochemistry and biotechnology101-161352Analysis of VarianceBioreactorsBiotechnology/*methodsFermentationLipids/biosynthesisModels, BiologicalMultivariate AnalysisResearch Design2006Nov0273-2289 (Print)17159235/entrez/quer

19、y.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=17159235 engPoirazi20078817Poirazi, P.Leroy, F.Georgalaki, M. D.Aktypis, A.De Vuyst, L.Tsakalidou, E.Laboratory of Dairy Research, Department of Food Science and Technology, Agricultural University of Athens, Iera Odos 75, 118 55 Athens, Greece.U

20、se of artificial neural networks and a gamma-concept-based approach to model growth of and bacteriocin production by Streptococcus macedonicus ACA-DC 198 under simulated conditions of Kasseri cheese productionAppl Environ MicrobiolApplied and environmental microbiologyAppl Environ MicrobiolAppl Envi

21、ron MicrobiolApplied and environmental microbiology768-76733AnimalsBacteriocins/*biosynthesisCheese/*microbiologyFermentationHydrogen-Ion ConcentrationMilk/metabolism/microbiology*Models, Biological*Neural Networks (Computer)Sodium Chloride/pharmacologyStreptococcus/*growth & development/*metabolism

22、Temperature2007Feb0099-2240 (Print)17158625/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=17158625 engZelic2004323217Zelic, B.Vasic-Racki, D.Wandrey, C.Takors, R.Faculty of Chemical Engineering and Technology, University of Zagreb, Marulicev trg 19, 10000 Zagreb, Croatia. bzelicma

23、rie.fkit.hrModeling of the pyruvate production with Escherichia coli in a fed-batch bioreactorBioprocess Biosyst EngBioprocess and biosystems engineeringBioprocess Biosyst EngBioprocess and biosystems engineeringBioprocess Biosyst EngBioprocess and biosystems engineering249-58264Bioreactors/*microbi

24、ologyCell Culture Techniques/*methodsCell ProliferationComputer SimulationEscherichia coli/*physiologyGlucose/*metabolism*Models, BiologicalPyruvic Acid/*metabolism2004Jul1615-7591 (Print)15085423/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=15085423 eng于乃功200710310317于乃功阮晓钢基于细胞自

25、动机模型的青霉素发酵过程优化控制策略北京工业大学学报北京工业大学学报150-154,1653322007张大鹏200610410417张大鹏 王福利何大阔何建勇桑海(sn hi)峰常玉清基于分时段参数修正的发酵模型的建立Chinese Journal of Scientific InstrumentChinese Journal of Scientific Instrument2712200626-30。目前，生物技术领域最有代表性的模型用在了同位素标记的代谢流计算上，因为该模型计算量大而复杂，涉及了上千个方程 ADDIN EN.CITE McKinlay2007454517James B.

26、McKinlayYair Shachar-HillbJ. Gregory ZeikusClaire VieillecDetermining Actinobacillus succinogenes metabolic pathways and fluxes by NMR and GC-MS analyses of 13C-labeled metabolic product isotopomersMetabolic EngineeringMetabolic Engineering177192 920071563572016duct isotopomers .pdfNoh2006474717Kath

27、arina NohAljoscha WahlWolfgang WiechertComputational tools for isotopically instationary 13C labeling experiments under metabolic steady state conditionsMetabolic Engineering Metabolic Engineering554-577820061337957440nary 13C labeling.pdf31,32，这些模型为我们深入了解细胞代谢提供了强大而可靠的工具。但是，这些研究多集中于对过程进行模型化，而对大量的发酵批

28、记录的数据挖掘上研究甚少。目前我国各大型发酵企业每天都有多批发酵过程完成，每批都有大量的过程数据，且在现有企业中大量的有关生物技术特性参数（如糖、氮、磷、菌体量等）是通过离线测定来完成的，因此历史数据量极为庞大。这些蕴藏着丰富信息的数据得不到利用或利用不充分，势必造成很大的浪费，如果能够从这些数据中得到有价值的规律，将会对发酵生产的稳定和提高起到积极的推动作用。本文以本实验室王军峰老师开发的一种基于数理统计的发酵批报集处理新方法来处理以往近100份红霉素发酵批报，对数据进行了处理分析与挖掘，希望得到一些对红霉素发酵优化研究具有参考价值的信息。3.2 方法和步骤3.2.1 主要步骤根据软件要求将

29、批报中所有参数整理成一个excel文件，文件中每个sheet的列数据代表：相应参数按取样先后排序的数值，这里称为“列向量”，然后用软件处理这个文件得到有关参数与发酵结果的相关性，同时提取出能显著提高发酵结果的参数值范围，这些范围，在较大的置信概率下，构成了提高生产效率的工艺调控策略。研究表明该方法可为科研提供有价值的线索，能够在计算机的辅助下快速完成对大量历史批报的数据挖掘工作。数据处理方法略3.3 应用批报处理软件对发酵过程参数的处理和分析首先(shuxin)将80份工业生产的红霉素的批记录(60t发酵罐)，按照相同的格式，集中(jzhng)到一个excel文件中，每张表(sheet)代表一

30、个发酵批次的数据。表中第一列代表从小到大排序(pi x)的时间列向量，之后是按照时间排序的pH、总糖、氨基氮、粘度、效价、补糖、补油、补醇列向量(见表1之表头所示)。然后用FRAE软件对数据进行处理。发酵过程各时刻参数对效价影响图3.1 发酵过程各时刻参数对效价影响的经验值i,j概貌Fig 3.1 General picture of the experience value i,j of the various times parameters on the impact of titer in fermentation process图3.1中颜色越深表示相关性越强，深色方块多集中在第7个

31、取样点之前，说明各个因素对发酵单位的影响发生在前期。表3.1 发酵过程各时刻的参数对发酵单位影响的经验值i,jTab 3.1 The experience value i,j of the various times parameters on the impact of titer in fermentation process进行红霉素工艺优化的主要目的(md)是提高效价。本文计算了所有发酵过程参数对效价的影响值。表3.1表明(biomng)48小时之前pH、64小时之前的总糖、848小时(xiosh)氨基氮、840小时粘度、48小时的起始效价、40小时之前的补油以及2448小时的补醇等这

32、些时间段相关参数的变化对最终效价有显著影响。从时间上看，对效价有显著影响的点集中在前期，因此可以初步推定：影响红霉素最终效价的关键因素作用在前期，而pH、总糖、氨基氮、粘度、起始效价是这些关键因素的表现形式。 表3.1第7行第5列代表起始效价对最终效价影响的经验值是144。图3.2说明起步效价对发酵结果的影响很明显，起步效价高，则最终效价高，得出这一结论的置信概率为95%(软件界面中有提示)，这也是对“影响红霉素最终效价的因素作用发生在前期”这一结论的一个有力支持。图3.2 起始效价高低对应(duyng)发酵过程各时刻效价的均值及两组效价差异的置信(zhxn)概率Fig 3.2 The var

33、ious times average titer of fermentation process corresponding start titer发酵(f jio)过程参数优化该程序可以统计出各个参数对发酵单位影响的经验值，同时也能自动的根据高单位批次与低单位批次之间的差异，计算出所有参数的理想控制范围，这样就形成了发酵过程参数的控制策略，从而指导发酵过程的工艺控制。pH的控制从图3.3可以看到高单位批次与低单位批次在pH控制范围上的差异：高单位罐批次前期pH上升高且早、后期也比低单位罐批的pH控制要高。工艺要求在发酵中后期将pH控制到6.67.2范围内，从图3.3可以看出在48小时之后，将

34、pH控制到6.97.1之间更适合红霉素的生物合成，这与前人的研究结果一致，也证实了FRAE的统计结果的合理性。pH是菌体与培养基综合作用的结果，pH变化迅速说明菌体代谢旺盛，从图3.6可以发现这一阶段高单位批次的粘度高于低单位批次。说明在前期菌体生长快，将有利于后期的抗生素的合成。图3.3 高单位(dnwi)批次罐(深色)和低单位(dnwi)批次罐(浅色(qin s)的pH差异 Fig 3.3 The pH difference of high titer batch(dark) and low titer batch(light)总糖的控制从图3.4总糖范围曲线变化可看到：高单位批次起步总糖

35、值高于低单位批次。整个过程，高单位批次的糖代谢速率明显要快于低单位批次的罐批。调节发酵过程中糖代谢速率很难实现，但是初始的总糖浓度是可控制的。根据以上情况，我们推测在红霉素初始发酵培养基中增加糖浓度可能会提高发酵单位。在第5章中验证了这个推测。图3.4 高单位批次罐(深色)和低单位批次罐(浅色)的总糖差异 Fig 3.4 The total sugar difference of high titer batch(dark) and low titer batch(light)氨基氮的控制通过氨基氮范围曲线变化可看出与总糖曲线变化很相似：也表现出了初始氮基氮高，则代谢好的趋势。这就给了我们一个

36、提示，在现有的设备条件下，前期氮源丰富可能更利于提高发酵单位，而要达到这一目的，一方面可以通过尽量减少消毒过程的损耗，另一方面可以增大营养物质配比，也可以减少接种量（本实验室已经将50L罐接种量从10%降到4%，发酵单位比之前有小幅提高）。通过图3.4和图3.5 可以推测出在被统计的发酵批报情况下发酵配方的C和N源有些偏少，有进一步优化的需求。图3.5 高单位(dnwi)批次罐(深色)和低单位(dnwi)批次罐(浅色(qin s)的氨基氮差异 Fig 3.5 The amino nitrogen difference of high titer batch(dark) and low tite

37、r batch(light) 粘度的控制图3.6 高单位批次罐(深色)和低单位批次罐(浅色)的粘度差异 Fig 3.6 The viscosity difference of high titer batch(dark) and low titer batch(light)从图3.6可以清楚的看到了，在前期和后期粘度大的批次发酵单位高。在生物发酵过程中，发酵液流变学特性对微生物发酵的影响至关重要。通过控制发酵液的黏度可以使细胞的浓度达到最大。不同微生物细胞浓度对发酵液粘度的影响是不同的，这主要取决于微生物的细胞形态，含有菌丝体液体培养基的粘度要显著高于含有球形酵母或细菌细胞培养基的粘度。在较低

38、的浓度下，发酵液的粘度与微生物细胞的浓度近似地呈比例关系，但若细胞浓度较高，则粘度迅速增大。同时红霉素又是一个发酵过程耗氧较大的产品，因此在大型生物反应器的设计，往往从工程角度考虑(kol)来满足其需求，目前最常用的方法即为：配备较高功率的电机（2 kw/m3以上）、配备具有全釜混合功能的轴向流搅拌、通入足够量的空气等；另一方面，单从工程角度考虑投入大，生产操作成本提高，同时也可能会产生气泛、气溶胶现象等严重影响供氧的副作用；且在真正的生产过程中若不能满足细胞(xbo)代谢特性的需求，则会导致产品生产的失败。因此红霉素发酵过程既要维持较高的菌浓，又要保证供氧的需要(xyo)，就需要维持发酵液粘

39、度在一个合理的范围内(见图3.6)。 补糖的控制图3.7 高单位批次罐(深色)和低单位批次罐(浅色)的补糖差异 Fig 3.7 The addition difference of sugar of high titer batch(dark) and low titer batch(light)根据图3.7，整体上看高单位罐批与低单位罐批在补糖策略上没有明显差异，从图3.4可以明显看出低单位批次在后期总糖明显高于高单位批次，说明低单位批次如果按照高批次相同的补糖策略，由于代谢相对慢，导致糖积累。这种积累可能出现抑制次级代谢产物的可能，所以在生产控制中要根据残糖、粘度、pH等参数综合制订糖的补加策略，而不能一成不变。补油的控制图3.8 高单位(dnwi)批次罐(深色)和低单位批次罐(浅色)的补油差异 Fig 3.8 The addition difference of oil of high titer batch(dark) and low titer batch(light)从图3.8中可以看出，高单位批次与低单位批次在补油量的差异比较明显：高单位罐批表现了低补油速率。导致这种现象的原因可能是由于在现有设备中，供氧能力有限，如果补油量大，则氧的供应(gngyng)不足。所以对所分析的批报而言，相对少的补油量对发酵过程更为有利。 讨论(toln)1.虽然从图3.43.9给出