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JPH04304553A - Method and device for simulating biological reaction - Google Patents

Method and device for simulating biological reaction

Info

Publication number
JPH04304553A
JPH04304553A JP3068286A JP6828691A JPH04304553A JP H04304553 A JPH04304553 A JP H04304553A JP 3068286 A JP3068286 A JP 3068286A JP 6828691 A JP6828691 A JP 6828691A JP H04304553 A JPH04304553 A JP H04304553A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
simulation
database
reaction
data
regression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3068286A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Junichi Horiuchi
淳一 堀内
Masami Kamazawa
釜澤 正実
Hisashi Miyagawa
久司 宮川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyo Engineering Corp
Original Assignee
Toyo Engineering Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyo Engineering Corp filed Critical Toyo Engineering Corp
Priority to JP3068286A priority Critical patent/JPH04304553A/en
Publication of JPH04304553A publication Critical patent/JPH04304553A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a simulation method and device having general applicability by which the reaction development of a reaction system including a nonlinear element can be easily and conveniently simulated. CONSTITUTION:A first arithmetic means 120 operates a data smoothing processing to experimental data, and prepares data base for simulation constituted of each variable and the specific speed. A second arithmetic means 310 successively searches a reaction rate equation parameter from the data by a method of least squares, so that the simulation can be operated. It is to be desired that an interpolation by a cubic spline function and the presumption of the specific speed are operated as the data smoothing processing, and that a primary regression type is used as the reaction rate equation.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、非線形要素を含む反応
系の反応経過を予測する方法及びその装置に関し、さら
に詳細には、非線形性を示す所定の実験データに所定の
処理を施してその反応経過を予測するための、生物反応
のシミュレーションの方法及びその装置に関する。
[Field of Industrial Application] The present invention relates to a method and an apparatus for predicting the course of a reaction in a reaction system containing nonlinear elements, and more particularly, the present invention relates to a method and an apparatus for predicting the course of a reaction in a reaction system containing nonlinear elements, and more particularly, the present invention relates to a method and an apparatus for predicting the reaction progress of a reaction system containing nonlinear elements, and more particularly, to The present invention relates to a biological reaction simulation method and apparatus for predicting reaction progress.

【0002】0002

【従来の技術】従来、生物反応などの非線形要素を含む
反応系の反応経過をシミュレーションするにあたっては
、反応速度式(生物増殖速度式)としてモノー(Mon
od)式に代表される決定論的非構造化モデルあるいは
生物反応を生体内反応に基づき細分化しモデル式を構築
する構造化モデルが用いられており、生物毎に適切な反
応式モデルを形成し、これらの反応式モデルのパラメー
タを実験データから求めてそれを数値計算法で解くこと
により生物反応の予測を行っていた。
[Prior Art] Conventionally, when simulating the reaction progress of a reaction system including nonlinear elements such as a biological reaction, a mono (Mon) reaction rate equation (biological growth rate equation) has been used.
Deterministic unstructured models represented by od) equations or structured models that construct model equations by subdividing biological reactions based on in-vivo reactions are used, and appropriate reaction equation models are created for each organism. Biological reactions were predicted by determining the parameters of these reaction equation models from experimental data and solving them using numerical calculation methods.

【0003】前記従来技術のうち反応速度式としてモノ
ー式に代表される決定論的非構造化モデルの演算につい
ては、例えば「生物化学工学(合葉修一、永井史郎著 
 科学技術社  1975年発行)」の第178頁及び
第179頁に述べられている。しかしながら決定論的非
構造化モデルは複雑な生体内反応を極端に単純化してい
るため予測演算結果の誤差が大きく、また単一の反応式
を反応の開始から終了まで使用している生物反応を回分
培養及び流加培養で実施する場合、反応時間経過ととも
に生物の特性が変化するため適用が困難であった。一方
構造化モデルについては、例えば「バイオテクノロジー
・アンド・バイオエンジニアリング(BIOTECHN
OLOGY AND BIOENGINEERING)
第35巻」の第160頁乃至第184頁に述べられてい
るように、生物体内で起こっている反応を詳細に解析し
、それら数多くの反応を一つ一つ個別に決定した上でそ
れらを総合してモデルを構築するものである。しかしこ
の構造化モデルは生体内反応を忠実にモデル化すればす
るほど複雑になり、パラメータ決定の難しさ、計算の困
難さのため実用性を失っている。また、上記何れのモデ
ルも生物の改良、育種による特性の変化や経時的な性質
の変化、反応の非線形性等の生物反応に特有な性質を正
確に表現できないという問題があった。 さらに対象とする微生物各々の特性を考慮しなければな
らないため個々に適合するモデルを検討する必要があり
、そのための労力が多大となりこれが生物反応のシミュ
レーションの大きな障害となっていた。
[0003] Among the conventional techniques mentioned above, regarding the calculation of a deterministic unstructured model represented by the Monod equation as a reaction rate equation, for example, ``Biochemical Engineering (written by Shuichi Aiba and Shiro Nagai)
178 and 179 of ``Science and Technology Publishing Co., Ltd., published in 1975''. However, deterministic unstructured models greatly simplify complex biological reactions, resulting in large errors in prediction calculation results, and biological reactions that use a single reaction equation from the start to the end of the reaction. When carrying out batch culture or fed-batch culture, it was difficult to apply because the characteristics of the organism change as the reaction time progresses. On the other hand, regarding structured models, for example, "Biotechnology and Bioengineering (BIOTECHN)"
OLOGY AND BIOENGINEERING)
As stated on pages 160 to 184 of "Volume 35," we analyze in detail the reactions occurring within living organisms, determine each of these reactions one by one, and then analyze them. A model is constructed by synthesizing them. However, the more faithfully this structured model models in-vivo reactions, the more complicated it becomes, and the more difficult it becomes to determine parameters and calculate, the more it loses its practicality. In addition, all of the above models have the problem of not being able to accurately represent properties unique to biological reactions, such as changes in characteristics due to biological improvement and breeding, changes in properties over time, and nonlinearity of reactions. Furthermore, since the characteristics of each target microorganism must be taken into account, it is necessary to consider a model that fits each individual, which requires a great deal of effort and is a major obstacle to simulating biological reactions.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、従来のように生物毎に個別に反応式モデルを形
成する必要のない、非線形要素を含む反応系一般に適用
可能な生物反応の反応経過を予測するための方法及び装
置を提供することにある。
[Problems to be Solved by the Invention] Therefore, it is an object of the present invention to develop a biological reaction system that can be applied to reaction systems in general that include nonlinear elements, without the need to form reaction equation models individually for each organism as in the past. An object of the present invention is to provide a method and a device for predicting progress.

【0005】さらに、本発明の目的は、従来のような反
応式モデルに依存する場合に比して、生物の改良、育種
による特性の変化や、回分培養や流加培養などで特に生
じる経時的な特性の変化などの非線形要素をも容易にか
つ正確にシミュレーション可能であり、したがって従来
のものより予測演算結果の誤差が小さい生物反応のシミ
ュレーション方法及び装置を提供することにある。
Furthermore, an object of the present invention is to improve the ability to improve characteristics of living organisms through breeding, and to reduce changes over time that occur particularly in batch culture, fed-batch culture, etc., compared to cases that rely on conventional reaction equation models. It is an object of the present invention to provide a biological reaction simulation method and apparatus that can easily and accurately simulate nonlinear elements such as changes in characteristics, and therefore have smaller errors in predictive calculation results than conventional methods.

【0006】さらに、本発明の目的は、生物毎に個別の
反応式モデルを形成する必要がなく、また演算自体も容
易であり、したがって労力及び費用を大幅に軽減するこ
とが可能な生物反応のシミュレーション方法及び装置を
提供することにある。
Furthermore, it is an object of the present invention to develop a biological reaction model that does not require the creation of individual reaction equation models for each organism, and is easy to calculate, thus significantly reducing labor and costs. An object of the present invention is to provide a simulation method and apparatus.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために種々検討した結果、非線形要素を含む反
応系の反応経過を汎用的にシミュレーションする方法及
び装置を開発し、これにより生物反応毎に反応式モデル
を構築する必要がなく、しかも、できる限り実験データ
に忠実で、非線形の強い反応系にも適用できかつ菌の特
性の変化等にも十分に対抗できるシミュレーション方法
及び装置を可能にしたものである。
[Means for Solving the Problems] As a result of various studies in order to solve the above problems, the present inventors have developed a method and apparatus for universally simulating the reaction progress of a reaction system containing nonlinear elements. A simulation method and device that does not require the construction of a reaction equation model for each biological reaction, is faithful to experimental data as much as possible, is applicable to strongly nonlinear reaction systems, and can sufficiently counter changes in bacterial characteristics, etc. This is what made it possible.

【0008】すなわち、本発明は、非線形要素を含む反
応系の反応経過をシミュレーションする方法であって、
入力された前記反応系の実験データに対して平滑化処理
を施して、その結果をデータベースとして格納し、前記
反応系の開始時点から終了時点までを複数のシミュレー
ション区間に分割し、予め設定された初期条件と予め選
択された回帰式モデルと前記データベースから選択され
た各シミュレーション区間に関連する複数のデータとに
基づいて、前記各シミュレーション区間について、それ
ぞれ回帰処理を施す、各ステップからなることを特徴と
する方法を提供するものである。
That is, the present invention is a method for simulating the reaction progress of a reaction system containing nonlinear elements,
Smoothing processing is applied to the input experimental data of the reaction system, the results are stored as a database, and the period from the start to the end of the reaction system is divided into multiple simulation sections, and The method is characterized by comprising steps of performing regression processing on each of the simulation intervals based on initial conditions, a regression equation model selected in advance, and a plurality of data related to each simulation interval selected from the database. This provides a method to do this.

【0009】さらに、本発明の別な観点からすれば、非
線形要素を含む反応系の反応経過のシミュレーション装
置であって、前記反応系の実験データを入力するための
入力手段と、入力された前記実験データに対して平滑化
処理を施すための第1演算手段と、前記平滑化処理が施
された実験データをデータベースとして格納するための
記憶手段と、前記反応系の開始時点から終了時点までを
複数のシミュレーション区間に分割して、予め設定され
た初期条件と予め選択された回帰式モデルと前記データ
ベースから選択された各シミュレーション区間に関連す
る複数のデータに基づいて各シミュレーション区間につ
いてそれぞれ回帰処理を施すための第2演算手段と、か
ら成ることを特徴とする装置が提供される。
Furthermore, from another viewpoint of the present invention, there is provided a simulation apparatus for the reaction progress of a reaction system including nonlinear elements, which comprises an input means for inputting experimental data of the reaction system, and an input means for inputting experimental data of the reaction system; a first calculation means for performing smoothing processing on the experimental data; a storage means for storing the experimental data subjected to the smoothing processing as a database; Divide into a plurality of simulation intervals and perform regression processing for each simulation interval based on preset initial conditions, a preselected regression equation model, and a plurality of data related to each simulation interval selected from the database. and second calculation means for performing the calculation.

【0010】本発明は、原生動物、バクテリア、酵母、
藻類、菌類等の微生物あるいは動植物昆虫細胞等を利用
して目的生産物あるいは前記微生物及び動植物昆虫細胞
それ自体を回分反応、流加培養、ろ過培養、連続培養等
の方法により生産する生物反応などの非線形要素を含む
反応系に特に好適な方法である。
[0010] The present invention is directed to protozoa, bacteria, yeast,
Biological reactions that use microorganisms such as algae and fungi or animal, plant, and insect cells to produce target products or the microorganisms and animal, plant, and insect cells themselves by methods such as batch reactions, fed-batch culture, filtration culture, and continuous culture. This method is particularly suitable for reaction systems containing nonlinear elements.

【0011】本発明に基づいて実験データの数値を入力
する場合には、予め定められた入力形式にしたがって第
1演算装置に格納できればよく、例えば、数値をキーボ
ードより入力する方法、実験データをフロッピーディス
ク等の補助記憶装置より入力する方法、又はデータ測定
装置よりオンラインで入力する方法等がある。
When numerical values of experimental data are input based on the present invention, it is only necessary that the numerical values can be stored in the first arithmetic unit according to a predetermined input format. There are methods of inputting from an auxiliary storage device such as a disk, or online inputting from a data measuring device.

【0012】本発明に基づく平滑化処理は、関数近似に
よる実験データの補間処理と、その結果に基づく比速度
の推定処理から構成することが可能である。この場合の
関数近似は、データの平滑化が実現できればよく、例え
ば、スプライン関数、最小二乗近似、ラグランジェ補間
等の演算手法を用いることが可能であるが、スプライン
関数を用いる関数近似がより好ましい。関数近似の結果
は、各実験データの比速度、例えば比基質消費速度、比
増殖速度、比生産物生産速度等の演算に使用される。
The smoothing process according to the present invention can be comprised of interpolation of experimental data by function approximation and estimation of specific speed based on the result. The function approximation in this case only needs to be able to smooth the data, and for example, calculation methods such as spline functions, least squares approximation, and Lagrange interpolation can be used, but function approximation using spline functions is more preferable. . The results of the function approximation are used to calculate specific rates of each experimental data, such as specific substrate consumption rate, specific growth rate, specific product production rate, etc.

【0013】本発明に基づく回帰処理は、反応系の開始
から終了までを複数のシミュレーション区間に分割して
各区間毎に実施され、各区間毎の生物反応における比基
質消費速度、比増殖速度、比生産物生産速度等の速度式
が一次回帰式で近似される。回帰式の係数は統計的手法
により演算される。この場合、初期条件から一次回帰式
の独立変数が選択され、データベースから選択された各
シミュレーション区間に関連する複数のデータを用いて
最小二乗法により回帰式の係数を決定し、さらに当該式
からルンゲ−クッタ法等の数値計算法により解を得るこ
とにより、生物反応の反応経過の予測が行われる。
The regression process based on the present invention is performed by dividing the reaction system from the start to the end into a plurality of simulation intervals, and is carried out for each interval, and the specific substrate consumption rate, specific growth rate, Rate equations such as specific product production rate are approximated by linear regression equations. The coefficients of the regression equation are calculated using statistical methods. In this case, the independent variables of the linear regression equation are selected from the initial conditions, the coefficients of the regression equation are determined by the least squares method using multiple data related to each simulation interval selected from the database, and the coefficients of the regression equation are determined from the equation. - The course of biological reactions can be predicted by obtaining solutions using numerical calculation methods such as the Kutta method.

【0014】さらに、本発明によれば、平滑化処理及び
回帰処理の演算結果を数値表示及びグラフ表示すること
も可能であり、この場合には、演算結果が例えばCRT
、プリンタやフロッピーディスク等の補助記憶装置に出
力される。
Furthermore, according to the present invention, it is also possible to display numerically and graphically the calculation results of the smoothing process and the regression process. In this case, the calculation results can be displayed on a CRT, for example.
, and output to an auxiliary storage device such as a printer or floppy disk.

【0015】以下、図面を参照して本発明をさらに詳細
に説明する。
The present invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.

【0016】図1は本発明の一実施態様の概要を示すブ
ロック図である。対象とする生物反応の実験結果から得
られる実験番号、測定時刻、菌体濃度、基質濃度、生産
物濃度などの測定値が、実験データ入力手段110より
入力される。入力された実験データは第1演算手段12
0に送られ、平滑化処理が施され、その結果が記憶手段
210の中のデータベースに格納される。第2演算手段
310は記憶手段210に格納されたデータを利用して
、対象とする生物反応の反応経過を統計的手法によりシ
ミュレーションし、その結果が表示手段320に表示さ
れる。
FIG. 1 is a block diagram showing an overview of one embodiment of the present invention. Measured values such as the experiment number, measurement time, bacterial cell concentration, substrate concentration, and product concentration obtained from the experimental results of the target biological reaction are input from the experimental data input means 110. The input experimental data is sent to the first calculation means 12.
0, smoothing processing is performed, and the result is stored in a database in storage means 210. The second calculation means 310 uses the data stored in the storage means 210 to simulate the reaction progress of the target biological reaction by a statistical method, and the result is displayed on the display means 320.

【0017】図2は本発明における第1演算手段120
の詳細を示す流れ図である。入力手段110により入力
された対象とする生物反応の菌体濃度、基質濃度、生産
物濃度などの実験または運転データは、この第1演算手
段120において平滑化処理される。すなわち入力され
た上記実験または運転データは補間処理122により関
数近似され、さらにこの関数近似の結果を用いて比基質
消費速度、比増殖速度、比生産物生産速度等の比速度の
推定123が行われ、これらの結果が記憶手段210に
格納される。上記一連の処理が種々の実験条件について
反復され、所定の時間刻み毎の基質濃度、菌体濃度、生
産物濃度、比基質消費速度、比増殖速度、比生産物生産
速度等の諸データから構成されるデータベースが構築さ
れる。補間処理による関数近似の手法としては、データ
の平滑化が実現できればよく、例えばスプライン関数、
最小二乗近似、ラグランジェ補間等の演算手法を用いる
ことが可能であるが、スプライン関数特に3次スプライ
ン関数を用いる逐次分割法が適している。また比速度を
推定する方法としては、差分を取り計算する方法と3次
スプライン関数を1階微分して求める方法があるが、差
分により求める方法がより適している。このように実験
データに平滑化処理を施してデータベースの作成を行う
ことにより、生データを直接用いることにより生じるば
らつきやデータ欠損による誤差を減らし、精度よく比速
度を求めることができ、かつ効率よくデータベースを作
成することが可能となる。
FIG. 2 shows the first calculation means 120 in the present invention.
2 is a flowchart showing details of. Experimental or operational data such as bacterial cell concentration, substrate concentration, and product concentration of the target biological reaction inputted by the input means 110 are smoothed by the first calculation means 120 . That is, the inputted experimental or operational data is subjected to function approximation by interpolation processing 122, and furthermore, the estimation 123 of specific speeds such as specific substrate consumption rate, specific growth rate, specific product production rate, etc. is performed using the results of this function approximation. These results are then stored in the storage means 210. The above series of processes is repeated under various experimental conditions, and is composed of various data such as substrate concentration, bacterial cell concentration, product concentration, specific substrate consumption rate, specific growth rate, specific product production rate, etc. at each predetermined time step. A database will be constructed. As a function approximation method using interpolation processing, it is sufficient if smoothing of data can be achieved, such as spline function,
Although calculation methods such as least squares approximation and Lagrange interpolation can be used, a successive division method using a spline function, particularly a cubic spline function, is suitable. Further, as methods for estimating the specific speed, there are two methods: calculating by taking a difference and calculating by first-order differentiation of a cubic spline function, but the method of calculating by calculating the difference is more suitable. By creating a database by smoothing the experimental data in this way, it is possible to reduce errors caused by variations and missing data that would otherwise occur when using raw data directly, and to calculate specific speeds with high precision and efficiency. It becomes possible to create a database.

【0018】図3は本発明おける記憶手段210の中の
データベースの詳細を示したものである。第1演算手段
において作成された各実験のデータベースには、それぞ
れの実験の開始から終了までの所定の時間刻み毎の基質
濃度、菌体濃度、生産物濃度、比基質消費速度、比増殖
速度、比生産物生産速度、流加速度等のデータや、実験
条件等が記憶される。これらのデータは必要に応じて第
2演算手段において取捨選択され使用される。
FIG. 3 shows details of the database in the storage means 210 in the present invention. The database of each experiment created by the first calculation means includes substrate concentration, bacterial cell concentration, product concentration, specific substrate consumption rate, specific growth rate, Data such as specific product production rate, flow rate, experimental conditions, etc. are stored. These data are selected and used by the second calculation means as necessary.

【0019】図4は本発明における第2演算手段310
の詳細を示す流れ図である。第2演算手段310におい
て非線形要素を含む反応系の反応経過をシミュレーショ
ンをするためには、実験の開始から終了までの経過時間
を複数のシミュレーション区間に分割し、それぞれの区
間について回帰式モデルを決定し、得られた反応速度式
に基づいて各区間についてのシミュレーションを行う必
要がある。まず311において初期条件として培養開始
時点における基質濃度、菌体濃度等の値が入力される。 次いで、312乃至316を通して最初のシミュレーシ
ョン区間についてのシミュレーションが行われる。さら
に、シミュレーション区間がインクリメントされ、第2
のシミュレーション区間について最初のシミュレーショ
ン区間と同様の処理が行われ、反応経過の推定が行われ
る。同様の手順が実験の開始時点から終了時点に至るま
で順次反復されて、対象となっている反応系の反応経過
全体のシミュレーションが実行される。
FIG. 4 shows the second calculation means 310 in the present invention.
2 is a flowchart showing details of. In order to simulate the reaction progress of a reaction system including nonlinear elements in the second calculation means 310, the elapsed time from the start to the end of the experiment is divided into a plurality of simulation intervals, and a regression equation model is determined for each interval. However, it is necessary to perform simulations for each section based on the obtained reaction rate equation. First, in step 311, values such as substrate concentration and bacterial cell concentration at the time of culture initiation are input as initial conditions. Next, a simulation for the first simulation section is performed through 312 to 316. Furthermore, the simulation interval is incremented and the second
The same processing as the first simulation section is performed for the simulation section, and the reaction progress is estimated. A similar procedure is sequentially repeated from the start to the end of the experiment, and a simulation of the entire reaction process of the target reaction system is executed.

【0020】次に各シミュレーション区間についてのシ
ミュレーション方法について詳細に説明する。基本的に
は、312において予め定められた回帰式モデルと、3
11において設定された初期条件と、第1演算手段にお
いて平滑化処理され記憶手段210に格納されたデータ
とに基づいてシミュレーション演算が行われる。312
において選択される回帰式モデルとしては、反応速度式
としての一次の回帰式を使用することが好ましく、その
独立変数としては、対象となる反応の特性に応じて基質
濃度、菌体濃度、呼吸速度等から適切なものを予め選定
する。例えば、比増殖速度μの反応式の独立変数を菌体
濃度Xと基質濃度Sとすると式の形式は、
Next, the simulation method for each simulation section will be explained in detail. Basically, in 312, a predetermined regression equation model and 3
Simulation calculations are performed based on the initial conditions set in step 11 and the data smoothed by the first calculation means and stored in the storage means 210. 312
It is preferable to use a first-order regression equation as a reaction rate equation as the regression equation model selected in , and the independent variables include substrate concentration, bacterial cell concentration, and respiration rate depending on the characteristics of the target reaction. Select the appropriate one in advance. For example, if the independent variables of the reaction equation for the specific growth rate μ are the bacterial cell concentration X and the substrate concentration S, the format of the equation is:

【0021】[0021]

【数1】[Math 1]

【0022】のようになる。次いで、313において3
12の回帰式の係数を決定するためのデータとして、所
定のシミュレーション区間の近傍データが記憶手段21
0に格納されたデータの中から選択される。近傍データ
の選択は、所定のシミュレーション区間の開始時点から
記憶手段210の中に格納された各データまでのユーク
リッド距離を計算して、その距離の短いものから6乃至
12点ほどを選択することにより行う。選択された近傍
データに基づいて、314において重回帰計算が行われ
、回帰式の係数が決定される。このようにして決定され
た反応速度式は315において物質収支式に代入され、
次いで316でルンゲ−クッタ法等の数値計算法が用い
られて式が解法され、当該シミュレーション区間のシミ
ュレーションが完了する。次いで317においてシミュ
レーション区間がインクリメントされ、次のシミュレー
ション区間について同様の手順が繰り返される。かかる
手順がシミュレーション区間が予め定められた実験終了
時点に到達するまで反復されると、318においてアル
ゴリズムが終了される。かくして、所望の反応系の反応
経過全体のシミュレーションが完了する。なお、流加培
養を行う場合には、基質の流加方法を初期条件として指
定することで、様々な流加条件についてケーススタディ
を得ることが可能である。シミュレーションの結果は、
CRT、プリンタ、または補助記憶装置などの表示手段
に出力されて、後の使用に供される。
It becomes as follows. Then at 313 3
As data for determining the coefficients of the 12 regression equations, neighborhood data of a predetermined simulation interval is stored in the storage means 21.
Selected from among the data stored in 0. The selection of neighboring data is performed by calculating the Euclidean distance from the start point of a predetermined simulation section to each data stored in the storage means 210, and selecting about 6 to 12 points from the shortest distance. conduct. Based on the selected neighborhood data, a multiple regression calculation is performed in 314 to determine the coefficients of the regression equation. The reaction rate equation determined in this way is substituted into the mass balance equation in 315,
Then, at 316, a numerical calculation method such as the Runge-Kutta method is used to solve the equation, completing the simulation for the simulation interval. The simulation interval is then incremented at 317 and the same procedure is repeated for the next simulation interval. When this procedure is repeated until the simulation interval reaches a predetermined experimental end point, the algorithm is terminated at 318. In this way, the simulation of the entire reaction course of the desired reaction system is completed. In addition, when performing fed-batch culture, by specifying the substrate feeding method as the initial condition, it is possible to obtain case studies for various fed-batch conditions. The simulation results are
The data is output to a display means such as a CRT, printer, or auxiliary storage device for later use.

【0023】[0023]

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。
[Examples] The present invention will be specifically explained below with reference to Examples.

【0024】対象とした生物反応は枯草菌(Bacil
lus Amyloliqufacience)による
α−アミラーゼの生産である。枯草菌によるα−アミラ
ーゼ生産はカタボライト抑制を受けるため基質濃度の高
い誘導期及び対数増殖期では殆ど生産されずグルコース
の枯渇とともに急激にα−アミラーゼを生産する非線形
性の強い反応である。
The target biological reaction was Bacillus subtilis.
The production of α-amylase by S. lus Amyloliquefacience. α-Amylase production by Bacillus subtilis is a highly nonlinear reaction in which α-amylase is produced rapidly as glucose is depleted, with almost no production during the lag phase and logarithmic growth phase when the substrate concentration is high because it is inhibited by catabolites.

【0025】〔実施例1〕図1に示す本発明に基づくシ
ミュレーション方法及び装置を用いてα−アミラーゼの
生産のシミュレーションを行った。通常の培養槽を用い
て前記の回分培養及び流加培養実験を初期基質濃度、基
質流加方法等の条件を変更し10回実施した。実験デー
タの例を表1に示した。
[Example 1] Production of α-amylase was simulated using the simulation method and apparatus based on the present invention shown in FIG. The above-mentioned batch culture and fed-batch culture experiments were carried out 10 times using a conventional culture tank while changing conditions such as initial substrate concentration and substrate feeding method. Examples of experimental data are shown in Table 1.

【0026】[0026]

【表1】[Table 1]

【0027】表1に示される実験結果を入力装置により
入力した。これらのデータより第1演算手段で演算を行
い結果を記憶手段中のデータベースに格納した。表2に
データベースの例を示す。
The experimental results shown in Table 1 were input using an input device. These data were subjected to calculations by the first calculation means, and the results were stored in a database in the storage means. Table 2 shows an example of the database.

【0028】[0028]

【表2】[Table 2]

【0029】次に第2演算手段における本反応系の回帰
式モデルを示す。
Next, a regression equation model of this reaction system in the second calculation means will be shown.

【0030】[0030]

【数2】[Math 2]

【0031】これらの回帰式モデルの係数を1時間毎に
記憶手段中のデータベースを用いて重回帰分析により決
定し、そのモデル式を用いてシミュレーションを行い、
これを培養終了時間24時間迄繰り返した。初期条件と
して初期基質濃度10gr/lで回分培養実験を行い、
本発明に基づいてシミュレーションを行った。その結果
を表示手段により表示させた例を図5に示す。
[0031] The coefficients of these regression equation models are determined hourly by multiple regression analysis using the database in the storage means, and a simulation is performed using the model equations.
This was repeated until the end of the culture, which was 24 hours. A batch culture experiment was conducted with an initial substrate concentration of 10 gr/l as the initial condition.
A simulation was performed based on the present invention. FIG. 5 shows an example in which the results are displayed on a display means.

【0032】それぞれプロットが実験結果を示しており
、実線が本発明に基づくシミュレーションの結果を示し
ている。グルコースの枯渇とともにカタボライト抑制が
解除されてα−アミラーゼの生産が始まり、また菌体が
ピークアウトし低下していく様子がよくシミュレーショ
ンできていることが分かる。
[0032] Each plot shows the experimental results, and the solid line shows the results of the simulation based on the present invention. It can be seen that as glucose is depleted, catabolite suppression is released and α-amylase production begins, and that the bacterial cells peak out and decline can be well simulated.

【0033】〔実施例2〕本菌による流加培養実験の結
果を本発明に基づいてシミュレーションした結果を図6
に示す。基質の流加時間は4−14時間目の10時間、
流加速度は1.0(gr−グルコース/L・HR)とし
ている。なおデータベースは実施例1と同じものを用い
た。この様な流加培養のように比較的複雑な培養操作を
行う場合にも本発明によれば、良好なシミュレーション
結果を得ることができることが示された。
[Example 2] Figure 6 shows the results of simulating the results of a fed-batch culture experiment using this bacterium based on the present invention.
Shown below. Substrate feeding time was 10 hours from 4th to 14th hour;
The flow rate is set to 1.0 (gr-glucose/L·HR). Note that the same database as in Example 1 was used. It has been shown that the present invention makes it possible to obtain good simulation results even when relatively complicated culture operations such as such fed-batch culture are performed.

【0034】〔比較例〕実施例2と同様の実験のシミュ
レーションであるが、データベース作成時に本発明のよ
うに第1演算手段を使用せず(すなわち、スプライン関
数によるデータの平滑化処理を行わず)、手作業で作成
したデータベースを基にしてシミュレーションを行った
結果を図7に示した。比速度の推定に誤差が大きいため
、第2演算手段におけるシミュレーション結果の曲線が
スムーズではなく、かつデータベースの作成に多大な労
力及び時間を要した。
[Comparative Example] This is a simulation of the same experiment as in Example 2, but unlike the present invention, the first calculation means was not used when creating the database (that is, the data smoothing process using the spline function was not performed). ), and the results of a simulation based on a manually created database are shown in Figure 7. Since there was a large error in estimating the specific speed, the curve of the simulation result in the second calculation means was not smooth, and it took a great deal of effort and time to create the database.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、従来生物反応の状態予測において不可能であっ
た様々な機能を実現可能である。すなわち、本発明に基
づくシミュレーション方法及び装置によれば、(1) 
個々の生物反応の特性を考慮した反応モデル式の作成を
必要とせずに、回帰式近似モデルを統計的手法を用いて
解くことによりシミュレーションが可能である。(2)
 シミュレーション用データベースの作成を、実験デー
タのばらつきによる誤差なしに、容易かつ精度よく行う
ことができる。(3) タンパク生産の様な非線形な反
応系にも十分適用できる。(4) 回分培養、流加培養
のような非定常的な反応にも適用できる。(5) 操作
条件、基質流加条件などを種々変えることにより様々な
ケーススタディを行うことができる。など、数々の優れ
た利点がある。さらに従来のシミュレーションは実験デ
ータの入手からデータベースの作成、シミュレーション
まで約10日間要していたものが本発明の方法及び装置
を使用すれば半日ないしは1日で十分行うことができ、
時間と労力の大幅な節約を図ることが可能である。
EFFECT OF THE INVENTION As is clear from the above explanation, the present invention makes it possible to realize various functions that were previously impossible in predicting the state of biological reactions. That is, according to the simulation method and apparatus based on the present invention, (1)
Simulation is possible by solving a regression equation approximation model using a statistical method without requiring the creation of reaction model equations that take into account the characteristics of individual biological reactions. (2)
A simulation database can be easily and accurately created without errors due to variations in experimental data. (3) It is fully applicable to nonlinear reaction systems such as protein production. (4) It can also be applied to unsteady reactions such as batch culture and fed-batch culture. (5) Various case studies can be conducted by changing operating conditions, substrate feeding conditions, etc. It has many great advantages such as: Furthermore, while conventional simulations required about 10 days from obtaining experimental data to creating a database and performing simulations, the method and apparatus of the present invention can be used to complete the process in half a day or even one day.
Significant savings in time and effort can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明に基づくシミュレーション方法及び装置
の概略を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a simulation method and apparatus based on the present invention.

【図2】図1の第1演算手段において実行される平滑化
処理のアルゴリズムを示す流れ図である。
FIG. 2 is a flowchart showing an algorithm for smoothing processing executed in the first calculation means of FIG. 1;

【図3】図1の記憶手段に格納されるデータベースの様
子を示している。
FIG. 3 shows a database stored in the storage means of FIG. 1;

【図4】図1の第2演算手段において実行されるシミュ
レーション手順のアルゴリズムを示す流れ図である。
FIG. 4 is a flowchart showing an algorithm of a simulation procedure executed in the second calculation means of FIG. 1;

【図5】本発明に基づいて、回分培養法によるα−アミ
ラーゼ生産のシミュレーションを行った結果を示すグラ
フである。
FIG. 5 is a graph showing the results of a simulation of α-amylase production by a batch culture method based on the present invention.

【図6】本発明に基づいて、流加培養実験を行った場合
のシミュレーション結果を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing simulation results when a fed-batch culture experiment was conducted based on the present invention.

【図7】図6と同様の実験であるが、本発明によらず手
作業でデータベースを作成した場合のシミュレーション
結果を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the simulation results of an experiment similar to FIG. 6, but in the case where the database was created manually without using the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110…入力手段 120…第1演算手段 210…記憶手段 310…第2演算手段 320…表示手段 110...Input means 120...first calculation means 210...Storage means 310...Second calculation means 320...display means

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】非線形要素を含む反応系の反応経過をシミ
ュレーションする方法であって、入力された前記反応系
の実験データに対して平滑化処理を施して、その結果を
データベースとして格納し、前記反応系の開始時点から
終了時点までを複数のシミュレーション区間に分割し、
予め設定された初期条件と予め選択された回帰式モデル
と前記データベースから選択された各シミュレーション
区間に関連する複数のデータとに基づいて、前記各シミ
ュレーション区間について、それぞれ回帰処理を施す、
各ステップからなることを特徴とする方法。
1. A method for simulating the reaction progress of a reaction system including nonlinear elements, wherein inputted experimental data of the reaction system is subjected to smoothing processing, and the results are stored as a database. Divide the reaction system from the start point to the end point into multiple simulation sections,
performing regression processing on each of the simulation intervals based on preset initial conditions, a preselected regression model, and a plurality of data related to each simulation interval selected from the database;
A method characterized in that it consists of each step.
【請求項2】前記各シミュレーション区間についての回
帰処理の結果を出力し、表示するステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, further comprising the step of outputting and displaying the results of regression processing for each of the simulation intervals.
【請求項3】前記平滑化処理が、関数近似による前記実
験データの補間処理と、その結果に基づく比速度の推定
処理から成ることを特徴とする、請求項1又は2に記載
の方法。
3. The method according to claim 1, wherein the smoothing process consists of interpolating the experimental data by function approximation and estimating the specific speed based on the result.
【請求項4】前記データベースからの前記各シミュレー
ション区間に関連する複数のデータの選択が、所定のシ
ミュレーション区間の開始時点からデータベース中に格
納された各データまでのユークリッド距離を計算して、
その距離の短いものから所定の数だけ選択することによ
り行われることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれ
かに記載の方法。
4. Selection of a plurality of data associated with each of the simulation intervals from the database comprises: calculating a Euclidean distance from the start of a given simulation interval to each data stored in the database;
4. The method according to claim 1, wherein the method is carried out by selecting a predetermined number of shortest distances.
【請求項5】前記回帰処理が、前記回帰式モデルとして
一次回帰式を用い、前記初期条件から独立変数を選択し
、さらに前記データベースから選択された各シミュレー
ション区間に関連する複数のデータに基づいて前記回帰
式の係数及び解を求めることにより行われることを特徴
とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
5. The regression process uses a linear regression equation as the regression equation model, selects an independent variable from the initial conditions, and is further based on a plurality of data related to each simulation interval selected from the database. 5. The method according to claim 1, wherein the method is carried out by determining coefficients and solutions of the regression equation.
【請求項6】前記非線形要素を含む反応系が、微生物あ
るいは動植物細胞を利用して目的生産物を得る生物反応
、又は微生物あるいは動植物細胞それ自体を得る反応で
あることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記
載の方法。
6. The reaction system including the nonlinear element is a biological reaction that uses microorganisms or animal and plant cells to obtain a target product, or a reaction that obtains the microorganism or animal and plant cells themselves. 6. The method according to any one of 1 to 5.
【請求項7】非線形要素を含む反応系の反応経過のシミ
ュレーション装置であって、前記反応系の実験データを
入力するための入力手段と、入力された前記実験データ
に対して平滑化処理を施すための第1演算手段と、前記
平滑化処理が施された実験データをデータベースとして
格納するための記憶手段と、前記反応系の開始時点から
終了時点までを複数のシミュレーション区間に分割して
、予め設定された初期条件と予め選択された回帰式モデ
ルと前記データベースから選択された各シミュレーショ
ン区間に関連する複数のデータに基づいて各シミュレー
ション区間についてそれぞれ回帰処理を施すための第2
演算手段と、から成ることを特徴とする装置。
7. A simulation device for the reaction progress of a reaction system including nonlinear elements, comprising an input means for inputting experimental data of the reaction system, and a smoothing process applied to the inputted experimental data. a first calculation means for storing the smoothed experimental data as a database; and a storage means for storing the experimental data subjected to the smoothing process as a database; a second step for performing regression processing on each simulation interval based on set initial conditions, a preselected regression equation model, and a plurality of data related to each simulation interval selected from the database;
A device characterized in that it consists of a calculation means.
【請求項8】前記各シミュレーション区間についての回
帰処理の結果を表示するための表示手段をさらに含むこ
とを特徴とする、請求項7に記載の装置。
8. The apparatus according to claim 7, further comprising display means for displaying the results of regression processing for each of the simulation sections.
【請求項9】前記第1演算手段における前記平滑化処理
が、関数近似による前記実験データの補間処理と、その
結果に基づく比速度の推定処理から成ることを特徴とす
る、請求項7又は8に記載の方法。
9. The smoothing process in the first calculation means comprises interpolation of the experimental data by function approximation and estimation of specific speed based on the result. The method described in.
【請求項10】前記第2演算手段における、前記データ
ベースからの前記各シミュレーション区間に関連する複
数のデータの選択が、所定のシミュレーション区間の開
始時点からデータベース中に格納された各データまでの
ユークリッド距離を計算して、その距離の短いものから
所定の数だけ選択することにより行われることを特徴と
する、請求項7乃至9のいずれかに記載の方法。
10. The second calculation means selects a plurality of data related to each simulation interval from the database based on the Euclidean distance from the start of a predetermined simulation interval to each data stored in the database. 10. The method according to claim 7, wherein the method is carried out by calculating a predetermined number of shortest distances.
【請求項11】前記第2演算手段における、前記回帰処
理が、前記回帰式モデルとして一次回帰式を用い、前記
初期条件から独立変数を選択し、さらに前記データベー
スから選択された各シミュレーション区間に関連する複
数のデータに基づいて前記回帰式の係数及び解を求める
ことにより行われることを特徴とする、請求項7乃至1
0のいずれかに記載の方法。
11. The regression processing in the second calculation means uses a linear regression equation as the regression equation model, selects an independent variable from the initial condition, and further relates to each simulation interval selected from the database. Claims 7 to 1, characterized in that the regression equation is performed by determining coefficients and solutions of the regression equation based on a plurality of data.
0. The method according to any one of 0.
【請求項12】前記非線形要素を含む反応系が、微生物
あるいは動植物細胞を利用して目的生産物を得る生物反
応、又は微生物あるいは動植物細胞それ自体を得る反応
であることを特徴とする、請求項7乃至11のいずれか
に記載の方法。
12. The reaction system including the nonlinear element is a biological reaction that uses microorganisms or animal or plant cells to obtain a target product, or a reaction that obtains the microorganism or animal or plant cell itself. 12. The method according to any one of 7 to 11.
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