JP2022146429A - Prediction device, control device, manufacturing method, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予測装置、制御装置、製造方法、およびプログラムに関する。 The present invention relates to a prediction device, control device, manufacturing method, and program.
従来より、植物油を原料に微生物により生産されたポリマーであって、例えば海水中でも生分解される生分解性ポリマーが知られている。この生分解性ポリマーは、例えば、PHBH(カネカ生分解性ポリマー、登録商標)がある。生分解性ポリマーの生産プロセスは、例えば、培養工程、精製工程、および後処理工程を含む。培養工程は、例えば、種母培養工程、および本培養工程を含み、本培養工程は、培地調製工程、植菌工程、炭素源(オイル)の流加工程、および培養工程を含む。 BACKGROUND ART Conventionally, biodegradable polymers, which are polymers produced by microorganisms using vegetable oils as raw materials and are biodegradable even in seawater, have been known. This biodegradable polymer is, for example, PHBH (Kaneka Biodegradable Polymer, registered trademark). A biodegradable polymer production process includes, for example, a culturing step, a purification step, and a post-treatment step. The culture step includes, for example, a seed culture step and a main culture step, and the main culture step includes a medium preparation step, an inoculation step, a carbon source (oil) feeding step, and a culture step.
細胞を培養する技術としては、例えば特許文献1が知られている。特許文献1に記載された細胞培養制御システムは、培養液の中の代謝物濃度値を計測し、時系列データを生成し、時系列データの特徴点に基づき、培養液の物理的化学的変数を制御している。さらに、細胞培養制御システムは、培養液の栄養源濃度値、代謝物濃度値、pH値、温度値、溶存酸素濃度値および浸透圧値を計測し、時系列データの予測値を算出するシミュレーション部7を有し、予測値の特徴点を抽出している。
For example,
微生物を培養する技術において近赤外分光光度計を用いた状態検出技術は、例えば、非特許文献1に記載されている。
A state detection technique using a near-infrared spectrophotometer in the technique of culturing microorganisms is described in Non-Patent
さらに、近赤外分光分析装置を用いる技術として、例えば特許文献2および3が知られている。特許文献2には、近赤外分光分析装置を用いて、重合工程の反応器内の試料の波長800~2500nmにおける吸収スペクトルを測定し、その測定値に基づいて最終工程で得られる芳香族石油樹脂の物性を予測し、その予測値に基づいて製造工程処理を制御する、芳香族石油樹脂の製造方法が記載されている。 Furthermore, Patent Documents 2 and 3, for example, are known as techniques using a near-infrared spectroscopic analyzer. In Patent Document 2, using a near-infrared spectrometer, the absorption spectrum of the sample in the reactor in the polymerization process is measured at a wavelength of 800 to 2500 nm, and based on the measured value, the aromatic petroleum obtained in the final process A method for producing an aromatic petroleum resin is described in which the physical properties of the resin are predicted and the production process is controlled based on the predicted values.
特許文献3には、ケモメトリクスによる多変量解析が実施可能な解析装置を有する近赤外分光分析計を含む測定装置を用い、脱水縮合反応途中の被測定物の近赤外吸収スペクトルを測定し、引き続き該測定データに基づいて、末端基数(あるいは末端基濃度)、水分、濃度、分子量の中から選択される少なくとも一つの物性値を算出し、これらの算定値から、演算装置を用いて、機器制御情報を得、この情報により反応機の計装機器を遠隔操作することで特定の反応条件および反応時間を制御する脂肪族ポリエステル類の製造方法が記載されている。 In Patent Document 3, a measurement device including a near-infrared spectrometer having an analysis device capable of performing multivariate analysis by chemometrics is used to measure the near-infrared absorption spectrum of the object to be measured during the dehydration condensation reaction. Subsequently, based on the measurement data, at least one physical property value selected from terminal group number (or terminal group concentration), water content, concentration, and molecular weight is calculated, and from these calculated values, using an arithmetic device, A process for producing aliphatic polyesters is described in which instrument control information is obtained and this information is used to remotely operate reactor instrumentation to control specific reaction conditions and reaction times.
上述したオイルを基質とした流加培養工程において、発明者らは、生産性等を考慮すると培養系中の基質濃度を適切に管理することが重要であることを見いだした。オイルが少ないと資化速度が低下し、逆に、オイルが過剰に流加されると発泡により安定した培養が困難になる。しかしながら、上述した非特許文献1や特許文献2-3に記載された技術では、近赤外分光光度計におけるPHBHの骨格の官能基(例えばメチル基、カルボニル基)の吸収位置とオイルに由来する官能基(例えばメチル基、カルボニル基)の吸収位置とが近くに表れるため、良好な検量線を得ることが困難である場合がある。この場合、近赤外分光光度計における良好な検量線を得るためには、例えば大量のデータが必要となる。
In the above-described fed-batch culture process using oil as a substrate, the inventors have found that it is important to appropriately control the substrate concentration in the culture system in consideration of productivity and the like. If the amount of oil is small, the rate of assimilation will decrease. Conversely, if the amount of oil supplied is excessive, foaming will make stable cultivation difficult. However, in the techniques described in
さらに、ポリマーの重合度や培養系中における濃度、オイルの不混和性の影響度、発泡状態の影響度により、近赤外分光光度計におけるオイル濃度の測定結果に誤差が生じる可能性がある。さらに、近赤外分光光度計におけるオイル濃度の測定結果に誤差は、培養系中の温度や菌体の粒径やpHなどのNIRの物理的および化学的な影響、一般的な分子の振動や回転に由来する近赤外光の吸収だけでなく、近赤外光による電子遷移や近赤外光の散乱にも影響する。図13は、NIRの計測強度と波数との関係の一例を示す図である。 Furthermore, the degree of polymerization of the polymer, its concentration in the culture system, the degree of influence of the immiscibility of the oil, and the degree of influence of the state of foaming may cause an error in the measurement result of the oil concentration with the near-infrared spectrophotometer. Furthermore, the error in the measurement results of the oil concentration in the near-infrared spectrophotometer is due to the physical and chemical effects of NIR such as the temperature in the culture system, the particle size and pH of the fungus, general molecular vibration and It affects not only the absorption of near-infrared light originating from rotation, but also the electronic transition caused by near-infrared light and the scattering of near-infrared light. FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the measured NIR intensity and the wave number.
そこで、本発明の目的は、基質としてのオイルに関する濃度を予測することができる予測装置、制御装置、製造方法、およびプログラムを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a prediction device, a control device, a manufacturing method, and a program capable of predicting the concentration of oil as a substrate.
本発明の一態様に係る予測装置は、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システムにおける予測装置であって、培養液に含まれる成分を分析する近赤外分光分析部と、前記培養システムによる培養に関する変数を取得する取得部と、前記近赤外分光分析部による分析結果、および前記取得部により取得した変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測する予測部と、を備える。 A prediction device according to an aspect of the present invention is a prediction device in a culture system for producing a biodegradable polymer by culturing microorganisms using oil as a substrate, and includes near-infrared spectroscopy for analyzing components contained in the culture solution. an analysis unit, an acquisition unit that acquires variables related to culture by the culture system, and a prediction unit that predicts the concentration of the substrate based on the analysis result by the near-infrared spectroscopic analysis unit and the variables acquired by the acquisition unit. And prepare.
本発明の一態様に係る制御装置は、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システムにおける制御装置であって、培養液に含まれる成分を分析する近赤外分光分析部と、前記培養システムによる培養に関する変数を取得する取得部と、前記近赤外分光分析部による分析結果、および前記取得部により取得した変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測する予測部と、前記予測部の予測結果に基づいて前記培養システムを制御する制御部と、を備える。 A control device according to an aspect of the present invention is a control device in a culture system for producing a biodegradable polymer by culturing microorganisms using oil as a substrate, and includes near-infrared spectroscopy for analyzing components contained in the culture solution. an analysis unit, an acquisition unit that acquires variables related to culture by the culture system, and a prediction unit that predicts the concentration of the substrate based on the analysis result by the near-infrared spectroscopic analysis unit and the variables acquired by the acquisition unit. and a control unit that controls the culture system based on the prediction result of the prediction unit.
本発明の一態様に係る製造方法は、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システムにおける製造方法であって、培養液に含まれる成分を分析するステップと、前記培養システムによる培養に関する変数を取得するステップと、前記成分の分析結果、および前記変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測するステップと、を含む。 A production method according to an aspect of the present invention is a production method in a culture system for producing a biodegradable polymer by culturing microorganisms using oil as a substrate, comprising the steps of: analyzing components contained in the culture solution; Obtaining variables related to culturing by the culturing system and predicting concentrations for the substrate based on the analytical results of the components and the variables.
本発明の一態様に係るプログラムは、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システムにおけるコンピュータに、培養液に含まれる成分を分析するステップと、前記培養システムによる培養に関する変数を取得するステップと、前記成分の分析結果、および前記変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測するステップと、を実行させる。 A program according to an aspect of the present invention is provided in a computer in a culture system for producing biodegradable polymers by culturing microorganisms using oil as a substrate, analyzing components contained in a culture solution, and culturing by the culture system. obtaining a variable for and predicting a concentration for the substrate based on the analytical results of the component and the variable.
本発明によれば、基質としてのオイルに関する濃度を予測することができる。 According to the invention, concentrations can be predicted for oils as substrates.
以下、本発明を適用した予測装置、制御装置、製造方法、およびプログラムを、図面を参照して説明する。 A prediction device, a control device, a manufacturing method, and a program to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
[培養システム1の概要]
図1は、実施形態の培養システム1の一例を示す図である。実施形態の培養システム1は、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する工程において、微生物を培養するシステムである。生分解性高分子は、例えばPHBH(カネカ生分解性ポリマー)(登録商標)であり、PHBHは、PHA(ポリヒドロキシアルカノエート)の一種であり、3HB(3-ヒドロキシブチレート)と3HH(3-ヒドロキシヘキサノエート)の共重合体である。PHBHは、生分解性プラスチックの原料である。しかし、本実施形態の製造対象は、PHBHに限定されず、PHAなどの他の共重合体であってもよい。実施形態におけるPHAは、3-ヒドロキシブタン酸(3HB)のホモポリマーであるP(3HB)、3HBと3-ヒドロキシバレリル酸(3HV)の共重合体P(3HB-co-3HV)、3HBと3-ヒドロキシヘキサン酸(3HH)の共重合体P(3HB-co-3HH)(略称:PHBH)、3HBと4-ヒドロキシブタン酸(4HB)の共重合体などである。
[Overview of culture system 1]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a
PHBHの生産プロセスは、例えば培養プロセス、精製プロセス、および後処理プロセスの順で実施される。培養プロセスは、例えば、種母培養工程、および本培養工程と称されるプロセスが含まれ、本培養工程は、培地調製工程、植菌工程、基質としてのオイルの流加工程、および培養工程を含む。オイルの流加工程においては、その他の基質として、リン酸、アンモニア水を流加する。実施形態の培養システム1は、オイルの流加工程において、オイルの流量を管理するために、培養液中のオイル濃度を予測する。これにより、培養システム1は、例えば、予測したオイル濃度をリアルタイムで表示させることで、管理者にオイル濃度を認識させることができる。さらに、実施形態の培養システム1は、予測した培養液中のオイル濃度に基づいて、オイルの流量を自動的に制御してもよい。
The production process of PHBH is carried out, for example, in the order of culture process, purification process, and post-treatment process. The culture process includes, for example, a seed culture process and a process called a main culture process, and the main culture process includes a medium preparation process, an inoculation process, a feeding process of oil as a substrate, and a culture process. include. In the oil fed-batch process, phosphoric acid and aqueous ammonia are fed as other substrates. The
実施形態におけるPHA微生物培養基質は、例えばオイルである。オイルは、油脂、脂肪酸、およびグリセリンを含む。油脂は、脂肪酸とグリセリンのエステルである。しかし、PHA微生物培養の基質は、オイルに限定されず、脂肪酸、グルコースなどの炭素源、またはその組み合わせであってもよい。実施形態における培養で用いる油脂は、例えば、トリアシルグリセロール、ジアシルグリセロール、モノアシルグリセロールなどである。実施形態における培養で用いる脂肪酸は、例えば、パルミチン酸、オレイン酸、リノール酸、ステアリン酸などである。 A PHA microbial culture substrate in embodiments is, for example, an oil. Oils include fats, fatty acids, and glycerin. Fats and oils are esters of fatty acids and glycerin. However, the substrate for PHA microbial culture is not limited to oils, but may be fatty acids, carbon sources such as glucose, or combinations thereof. Fats and oils used in culture in the embodiments are, for example, triacylglycerol, diacylglycerol, monoacylglycerol, and the like. Fatty acids used in the culture in the embodiment are, for example, palmitic acid, oleic acid, linoleic acid, stearic acid and the like.
[培養システム1の構成]
培養システム1は、図1に示すように、培養装置100を備える。培養装置100は、例えば、培養槽110と、攪拌装置120と、ポンプシステム130と、センサ群(140、142、144、146、および148)とを備える。培養槽110には培養液が蓄えられる。攪拌装置120は、例えモータおよびモータ駆動装置(不図示)、攪拌棒112等を備え、培養槽110に蓄えられた培養液を攪拌する。ポンプシステム130は、ポンプ、ポンプ駆動装置(不図示)、およびポンプに接続された流路等を備え、オイル、NH4OH、H3PO4などの培養に必要な材料を培養槽110内に供給する。排ガスセンサ140は、培養槽110から排出されるガス中の酸素濃度に基づく信号およびCO2濃度に基づく信号を出力する。溶存酸素(DO)センサ142は、培養液中に溶解した酸素の濃度に基づく信号を出力する。温度センサ144は、培養液の温度に基づく信号を出力する。pHセンサ146は、培養液のpHに関する信号を出力する。NIR(near‐infrared)センサ148は、例えば、近赤外線を照射する光源、および培養液からの反射光または透過光を検出する光検出部を備える。NIRセンサ148は、反射光に基づく信号を出力する。
[Configuration of culture system 1]
The
さらに、培養装置100は、O2・CO2取得部200と、DO取得部202と、温度取得部204と、pH取得部206と、NIR分析部208とを備える。O2・CO2取得部200は、排ガスセンサ140からガス中の酸素濃度に基づく信号およびCO2濃度に基づく信号を取得し、排ガスのO2濃度情報およびCO2濃度情報を予測装置300に供給する。DO取得部202は、溶存酸素センサ142から培養液中に溶解した酸素の濃度に基づく信号を取得し、溶存酸素濃度情報を予測装置300に供給する。温度取得部204は、温度センサ144から培養液の温度に基づく信号を取得し、培養液温度情報を予測装置300に供給する。pH取得部206は、pHセンサ146から培養液のpHに基づく信号を取得し、pH情報を予測装置300に供給する。NIR分析部208は近赤外分光光度計であり、NIRセンサ148から反射光または透過光に基づく信号を取得し、取得した信号を分析し、分析結果を予測装置300に供給する。NIR分析部208は、培養液に含まれる成分を分析する近赤外分光分析部の一例である。また、O2・CO2取得部200と、DO取得部202と、温度取得部204と、pH取得部206は、培養システム1による培養に関する変数を取得する取得部の一例である。
Furthermore, the
さらに、培養装置100は、予測装置300と、学習装置400と、表示装置500と、制御装置600とを備える。予測装置300は、予測処理部302により予測モデル304に基づく処理を実行するにより、NIR分析部208による分析結果、および培養に関する変数に基づいて、培養液中のオイル濃度を予測する。予測処理部302は、例えばCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。予測モデル304は、例えば、培養に関する変数としての説明変数を入力とし、培養液中のオイル濃度としての目的変数を出力する回帰式モデルである。説明変数は、例えば、物理的に取得された情報、および説明変数記憶部310に記憶された情報である。
Furthermore,
表示装置500は、例えば、培養システム1の管理者が視認可能なディスプレイ装置である。表示装置500は、例えば、予測装置300により予測されたオイル濃度に関する情報を表示する。
The
制御装置600は、予測装置300により予測されたオイル濃度に基づいて、培養システム1の各部を制御する。制御装置600は、例えばCPU等のプロセッサを備え、プロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。制御装置600は、例えば、培養工程において所定のタイミングで予測されたオイル濃度に基づいて目標のオイル流量を演算し、当該目標のオイル流量に近づけるようにポンプシステム130を制御する。所定のタイミングは、例えば、数分毎などの連続的に到来するように設定することが望ましく、これにより、制御装置600は、連続的にオイル濃度を取得して、オイル濃度に基づく制御を行うことが望ましい。
The
さらに、制御装置600は、排気ガス中有のO2濃度やCO2濃度に基づいて最適なオイル流量となるようにポンプシステム130を制御することが望ましく、培養槽110内の発泡に基づいて最適なオイル流量となるように制御することが望ましい。この場合、制御装置600は、予測装置300により予測されたオイル濃度に基づいて、培養液中のオイル濃度が所定の範囲となるようにオイル流量を制御することが望ましい。
Further, the
学習装置400は、教師データ記憶部410に記憶された教師データに基づいて予測モデル402を学習させる。学習装置400により学習された予測モデル402は、予測モデル304として予測装置300に導入される。
図2は、実施形態における学習装置400の一例を示すブロック図である。学習装置400は、例えば、教師データ取得部420、モデル構築部430、予測モデル402、および学習結果記憶部440を備える。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the
教師データ取得部420は、教師データ記憶部410から教師データとして説明変数xおよび目的変数yを取得する。1つの教師データにおける説明変数xと目的変数yとは対応した関係となっている。すなわち、ある教師データにおける説明変数xにより特定されるNIRの演算値および/または培養条件で培養工程を実施した場合に、当該教師データにおける目的変数yにより特定されるオイル濃度となる。
The teacher
モデル構築部430は、説明変数xを予測モデル402に入力し、予測モデル402から説明変数xに対応した目的変数yを出力するように、予測モデル402を特定する関数fまたは処理パラメータを学習する。モデル構築部430は、例えば、説明変数xに対応する目的変数yと、予測モデル402の出力との差が小さくなるように、関数fまたは処理パラメータを再帰的に算出(更新)する。予測モデル402は、例えば、学習される前の回帰式モデルである。予測モデル402における関数fは、例えば説明変数xを演算する演算式であり、処理パラメータは、例えば演算式における重み係数である。モデル構築部430は、算出(更新)した関数fおよび処理パラメータを学習結果記憶部440に保存する。
The
図3は、実施形態における説明変数、予測モデル、および目的変数の関係を示す図である。説明変数記憶部310は、例えばハードディスク装置やデータベース管理装置等を含む記憶装置である。説明変数記憶部310は、NIRの演算値(分析結果)、培養条件、ポリマー情報、基質情報、工程パラメータ、および微生物情報を含む説明変数を記憶する。説明変数記憶部310に記憶される情報は、取得部(200、202、204、206、208)により取得した情報や、図示しないセンサにより検出した信号に基づく情報や、説明変数設定部312により受け付けた情報であってよい。説明変数設定部312は、例えば、培養システム1の管理者が利用するパーソナルコンピュータ等であり、管理者の操作に基づいて説明変数を説明変数記憶部310に記憶させる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship among explanatory variables, prediction models, and objective variables in the embodiment. The explanatory
実施形態における予測モデルは、回帰式を利用したモデルを説明したが、予測モデルを実現するための回帰式は、線形回帰における重回帰、スパース回帰、PLS(partial least squares regression)回帰などであってよいが、これに限定されず、説明変数を入力してオイル濃度を予測するための目的変数を出力することができる既知の回帰式や、将来においてオイル濃度を予測することに適用可能な様々な回帰式を利用してもよい。モデル構築部430は、例えば、重回帰、スパース回帰、PLS回帰のうちいずれかの回帰式を選択し、選択した回帰式によって高い精度でオイル濃度を予測することができる説明変数の組み合わせを選択することで予測モデルを構築することができる。さらに、モデル構築部430は、回帰式ごとに最適な説明変数の組み合わせを用いてオイル濃度を予測してよく、培養システム1において取得(計測)可能な説明変数の組み合わせに基づいて最適な回帰式を採用してもよい。
The prediction model in the embodiment is a model using a regression formula, but the regression formula for realizing the prediction model is multiple regression in linear regression, sparse regression, PLS (partial least squares regression) regression, etc. Good, but not limited to, known regression equations that can input explanatory variables and output objective variables for predicting oil concentrations, and various types that can be applied to predict oil concentrations in the future A regression equation may be used. The
NIRの演算値(分析結果)情報は、例えば、培養液中のオイルの濃度、培養液中のコポリマー(共重合体)に関する情報、培養液中に含まれる成分ごとの重量平均分子量(Mw)情報、培養液中の乾燥菌体重量(DCW)に関する情報の少なくとも一つを含む。説明変数としてのNIRの演算値(分析結果)情報は、NIR分析部208により出力することができる情報であって、予測対象としてのオイル濃度に相関がある情報であればよい。NIRの演算値情報は、NIR分析部208の分析結果であるが、これに限定されず、例えばNIR分析部208の分析結果を加工した値等のNIR分析部208の分析結果に基づく情報であればよい。NIR分析部208の分析結果を加工した値とは、例えば、分析結果の平均値や、正規化値や、特異なデータを排除したデータ群などである。
NIR calculated value (analysis result) information includes, for example, the concentration of oil in the culture medium, information on the copolymer in the culture medium, and weight average molecular weight (Mw) information for each component contained in the culture medium. , at least one of the information on the dry cell weight (DCW) in the culture medium. The calculated value (analysis result) information of the NIR as the explanatory variable may be information that can be output by the
培養条件情報は、例えば、オイル(基質)の単位時間当たり流加量、オイル(基質)の流加量積算値、アルカリ溶液(例えばNH4OH)の単位時間当たり流加量、アルカリ溶液(例えばNH4OH)の流加量積算値、酸溶液(例えばH3PO4)の単位時間当たり流加量、酸溶液(例えばH3PO4)の流加量積算値、培養時間情報、攪拌数情報、攪拌動力情報、培養槽110の内圧情報、培養槽110内の通気量情報、培養液の温度情報、培養液のpH情報、培養液の液量情報、植菌量情報のうち少なくとも一つを含む。培養槽110の内圧情報、および培養槽110内の通気量情報は、図示しないセンサにより検出してよく、目標値や、経験値等の所定値であってよい。なお、説明変数としての培養条件情報は、培養条件のうち、予測対象としてのオイル濃度に相関がある情報であればよい。培養条件情報は、培養条件を加工した値であってもよい。培養条件を加工した値とは、例えば、培養条件の平均値や、正規化値や、特異なデータを排除したデータ群などである。
The culture condition information includes, for example, the feed amount of oil (substrate) per unit time, the integrated feed amount of oil (substrate), the feed amount of alkaline solution (eg, NH4OH) per unit time, and the feed amount of alkaline solution (eg, NH4OH). integrated feed amount, acid solution (e.g., H3PO4) feed amount per unit time, acid solution (e.g., H3PO4) feed amount integrated value, culture time information, agitation number information, agitation power information,
ポリマー情報は、生分解性高分子に関する情報の一例である。ポリマー情報は、培養液中におけるポリマー(生分解性高分子)の濃度、一次構造としてのコポリマーの比率情報、ポリマーにおける分子間及び分子内の組成分布情報、のうち少なくとも一つを含む。一次構造は、例えばポリマー(生分解性高分子)が形成される前の状態(例えば、コポリマー、コモノマー(例えば3HH))を示す構造であり、コポリマーの比率は、培養液中におけるコポリマーとポリマーとの比率を示し、コモノマーの比率は、培養液中におけるコモノマーとポリマーとの比率を示す。なお、コポリマーの比率やコモノマーの比率は、生分解性高分子の一次構造に関する情報の一例である。 Polymer information is an example of information about biodegradable polymers. The polymer information includes at least one of the concentration of the polymer (biodegradable polymer) in the culture medium, the ratio information of the copolymer as the primary structure, and the inter- and intramolecular composition distribution information of the polymer. The primary structure is, for example, a structure showing the state before the polymer (biodegradable polymer) is formed (e.g., copolymer, comonomer (e.g., 3HH)), and the ratio of the copolymer is the copolymer and polymer in the culture medium. and the comonomer ratio indicates the ratio of comonomer and polymer in the culture medium. Note that the copolymer ratio and comonomer ratio are examples of information about the primary structure of the biodegradable polymer.
ポリマー情報は、培養液をサンプリングして分析して得た測定値であってもよく、目標値や、経験値等の所定値を入力してよい。説明変数としてのポリマー情報は、ポリマーに関する情報のうち、予測対象としてのオイル濃度に相関がある情報であれば、実施形態が適用可能なポリマーに関する他の情報も含めてよい。ポリマー情報は、ポリマー情報を加工した値であってもよい。ポリマー情報を加工した値とは、例えば、ポリマーに関する値の平均値や、正規化値や、特異なデータを排除したデータ群などである。 The polymer information may be a measured value obtained by sampling and analyzing the culture fluid, or may be a predetermined value such as a target value or an empirical value. The polymer information as an explanatory variable may also include other information about the polymer to which the embodiment can be applied, as long as it is information correlated with the oil concentration as a prediction target among the information about the polymer. The polymer information may be a value obtained by processing the polymer information. The value obtained by processing the polymer information is, for example, an average value of values related to the polymer, a normalized value, a data group from which peculiar data are excluded, and the like.
基質情報は、例えば、基質の分解状態や、培養液中に含まれる油脂の種類および組成比、培養液中に含まれる脂肪酸の種類および組成比、基質の消費速度のうち少なくとも一つを含む。実施形態における培養で用いる油脂は、例えば、トリアシルグリセロール、ジアシルグリセロール、モノアシルグリセロールなどである。実施形態における培養で用いる脂肪酸は、例えば、パルミチン酸、オレイン酸、リノール酸、ステアリン酸などである。基質情報は、培養液をサンプリングして分析して得た測定値であってもよく、目標値や、経験値等の所定値を入力してよい。説明変数としての基質情報は、基質に関する情報のうち、予測対象としてのオイル濃度に相関がある情報であれば、実施形態が適用可能な基質に関する他の情報も含めてよい。基質情報は、基質に関する値を加工した値であってもよい。基質に関する値を加工した値とは、例えば、基質に関する値の平均値や、正規化値や、特異なデータを排除したデータ群などである。 The substrate information includes, for example, at least one of the decomposition state of the substrate, the type and composition ratio of oils and fats contained in the culture medium, the type and composition ratio of fatty acids contained in the culture medium, and the consumption rate of the substrate. Fats and oils used in culture in the embodiments are, for example, triacylglycerol, diacylglycerol, monoacylglycerol, and the like. Fatty acids used in the culture in the embodiment are, for example, palmitic acid, oleic acid, linoleic acid, stearic acid and the like. The substrate information may be a measured value obtained by sampling and analyzing the culture solution, or may be a predetermined value such as a target value or an empirical value. Substrate information as an explanatory variable may also include other substrate-related information to which the embodiments can be applied, as long as it is information correlated with the oil concentration as a prediction target among the substrate-related information. Substrate information may be a value obtained by processing a value relating to a substrate. The value obtained by processing the substrate-related value is, for example, the average value of the substrate-related value, the normalized value, or a data group from which peculiar data are excluded.
工程パラメータは、培養システム1の状態に関する情報の一例である。工程パラメータは、例えば、培養液内の酸素量(溶存酸素濃度;DO)、排気ガスのO2濃度およびCO2濃度、酸素摂取速度(Oxygen Uptake Rate;OUR)、培養時の呼吸商(respiratory quotient; RQ)、発泡状態に関するパラメータのうち少なくとも一つを含む。発泡状態に関するパラメータは、例えば、発泡している液面の位置や、位置の変化や、発生期間などの情報である。工程パラメータは、測定値であってもよく、目標値や、経験値等の所定値であってよい。説明変数としての工程パラメータは、工程パラメータに関する情報のうち、予測対象としてのオイル濃度に相関がある情報であれば、実施形態が適用可能な工程に関する他の情報も含めてよい。工程パラメータは、工程パラメータに関する値を加工した値であってもよい。工程パラメータに関する値を加工した値とは、例えば、工程パラメータに関する値の平均値や、正規化値や、特異なデータを排除したデータ群などである。
A process parameter is an example of information regarding the state of the
OURは、菌体が消費している酸素の量であり、排ガスO2、CO2の検出値に基づいて算出される。OURが高い状態は、オイル資化速度(生産性)が高い状態を表す。OURが上昇していることは、菌体活性が上昇していることを表し、OURが低下していることは、菌体活性の低下、酸素供給速度の低下、オイルの不足の少なくとも一つが発生していることを表す。生産性向上のためにはOURが高いことが望ましい。 OUR is the amount of oxygen consumed by the cells, and is calculated based on the detected values of exhaust gas O2 and CO2. A high OUR indicates a high oil utilization rate (productivity). An increase in OUR indicates an increase in cell activity, and a decrease in OUR indicates at least one of a decrease in cell activity, a decrease in oxygen supply rate, and an oil shortage. represents that A high OUR is desirable for improving productivity.
DOは、培養液中に溶け残っている酸素の濃度であり、DOが大きい状態は、培養液中に酸素が余っており、オイル資化速度が低くオイルが不足している状態を表す。DOが小さい(≒0)状態は、培養液に供給された酸素が全て消費されている状態を表す。DOが上昇していることは、培養液中に酸素が余っているため、菌体活性の低下またはオイルの不足の少なくとも一つが発生していることを表し、DOが低下していることは、培養液中の酸素が足りていることを表す。生産性向上のためにはDOが低いことが望ましい。 DO is the concentration of oxygen remaining dissolved in the culture medium, and a large DO indicates a state in which there is excess oxygen in the culture medium and the rate of oil assimilation is low, resulting in a shortage of oil. A state in which DO is small (≈0) represents a state in which all the oxygen supplied to the culture medium is consumed. An increase in DO indicates that there is excess oxygen in the culture solution, and at least one of a decrease in bacterial cell activity or a shortage of oil has occurred, and a decrease in DO indicates that It indicates that there is enough oxygen in the culture medium. A low DO is desirable for improving productivity.
RQは、消費した酸素(O2)に対する二酸化炭素(CO2)の割合であり、RQが大きい状態とは、オイルを無駄に消費している状態を表す。オイルを無駄に消費している状態とは、例えば、消費したCがCO2に変換される割合が高い状態である。RQが小さい状態とは、オイルが効率良くポリマーに変換されている状態を表す。オイルが効率良くポリマーに変換されている状態とは、消費したCがCO2に変換される割合が低い状態である。生産性向上のためにはRQが低いことが望ましい。 RQ is the ratio of carbon dioxide (CO2) to consumed oxygen (O2), and a large RQ indicates a state in which oil is wasted. The state of wastefully consuming oil is, for example, a state in which the consumed C is converted into CO2 at a high rate. A state in which RQ is small represents a state in which oil is efficiently converted into polymer. A state in which the oil is efficiently converted to polymer is a state in which the rate of conversion of the consumed C to CO2 is low. A low RQ is desirable for improving productivity.
微生物情報は、生分解性高分子を生産するバクテリア、酵母、カビ、古細菌などの微生物に関する情報の一例である。微生物情報は、例えば、菌株の種類、生分解性高分子を含む菌体の粒径、生分解性高分子を含む菌体の乾燥菌体重量に占める菌体重量のうち少なくとも一つを含む。微生物情報は、測定値であってもよく、目標値や、経験値等の所定値であってよい。説明変数としての微生物情報は、微生物に関する情報のうち、予測対象としてのオイル濃度に相関がある情報であればよい。微生物情報は、微生物に関する値を加工した値であってもよい。微生物に関する値を加工した値とは、例えば、微生物に関する値の平均値や、正規化値や、特異なデータを排除したデータ群などである。 Microorganism information is an example of information on microorganisms such as bacteria, yeast, fungi, and archaea that produce biodegradable polymers. The microbial information includes, for example, at least one of the strain type, the particle size of the biodegradable polymer-containing microbial cell, and the microbial cell weight in the dry microbial cell weight of the biodegradable polymer-containing microbial cell. The microbial information may be a measured value, or a predetermined value such as a target value or an empirical value. Microorganism information as an explanatory variable may be any information related to microorganisms that is correlated with the oil concentration to be predicted. Microorganism information may be a value obtained by processing a value related to microorganisms. Values obtained by processing microorganism-related values are, for example, average values of microorganism-related values, normalized values, data groups from which peculiar data are excluded, and the like.
[実施例]
図4は、上述した実施形態における学習処理により予測モデルを評価した結果を示す図であり、予測モデルとして部分的最小二乗回帰(PLS回帰)モデルおよび直線回帰モデルのそれぞれを用いた場合のMSE(mean squared error、平均二乗誤差)、RMSE(root mean squared error、二乗平均平方根誤差)、MAE(mean absolute error、平均絶対誤差)、R2(決定係数)を示す。図5は、上述した実施形態における予測モデルによりオイル濃度を予測した結果の評価を示す図であり、予測モデルとしてPLS回帰)モデルおよび直線回帰モデルのそれぞれを用いた場合のMSE、RMSE、MAE、R2を示す。
[Example]
FIG. 4 is a diagram showing the results of evaluating the prediction model by the learning process in the above-described embodiment, and the MSE ( mean squared error), RMSE (root mean squared error), MAE (mean absolute error), R2 (coefficient of determination). FIG. 5 is a diagram showing the evaluation of the results of predicting the oil concentration by the prediction model in the above-described embodiment, and the MSE, RMSE, MAE, when using the PLS regression model and the linear regression model as the prediction models. Shows R2.
図6は、実施形態により予測したオイル濃度と、比較例としての測定したオイル濃度との関係を示す図である。図4において、プロットされた点は、予測されたオイル濃度を示す。測定したオイル濃度は、培養液中のオイル濃度をサンプリングしてガスクロマトグラフィー装置(ガスクロマトグラフ:Gas Chromatograph)を用いて測定した結果である。予測モデルは、部分的最小二乗回帰とした。実施例における説明変数は、NIRの演算値としてのオイル濃度およびコポリマー比率(PHBHと3HHの比率)と、培養条件としてのオイル流加量、アンモニア水流加量、および培養時間と、菌株情報と、工程パラメータとしてのOUR(酸素消費速度)である。実施例によれば、予測モデルについて、二乗平均平方根誤差(RMSE)が0.149、決定係数(R2)が0.723になった。また、予測したオイル濃度は、測定したオイル濃度と高い相関があることが分かる。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the oil concentration predicted by the embodiment and the oil concentration measured as a comparative example. In FIG. 4, the plotted points indicate the predicted oil concentration. The measured oil concentration is the result of sampling the oil concentration in the culture solution and measuring it using a gas chromatograph (Gas Chromatograph). The prediction model was partial least squares regression. The explanatory variables in the examples are the oil concentration and the copolymer ratio (ratio of PHBH and 3HH) as calculated values of NIR, the oil feed amount, the ammonia water feed amount, and the culture time as culture conditions, strain information, OUR (oxygen consumption rate) as a process parameter. The example yielded a root mean square error (RMSE) of 0.149 and a coefficient of determination (R2) of 0.723 for the predictive model. Also, it can be seen that the predicted oil concentration has a high correlation with the measured oil concentration.
図7(A)は、ガスクロマトグラフィー装置(GC)で測定したオイル濃度とNIRで測定したオイル濃度との関係を示す図であり、図7(B)は、ガスクロマトグラフィー装置(GC)で測定したオイル濃度と実施形態の予測モデルで予測したオイル濃度との関係を示す図である。図7によれば、GCで測定したオイル濃度に対するNIRで測定したオイル濃度の誤差が大きく、GCで測定したオイル濃度に対する実施形態の予測モデルで予測したオイル濃度の誤差が小さいことが分かる。 FIG. 7A is a diagram showing the relationship between the oil concentration measured by the gas chromatography device (GC) and the oil concentration measured by NIR, and FIG. It is a figure which shows the relationship between the measured oil concentration and the oil concentration predicted by the prediction model of embodiment. According to FIG. 7, the error in the oil concentration measured by NIR with respect to the oil concentration measured by GC is large, and the error in the oil concentration predicted by the prediction model of the embodiment with respect to the oil concentration measured by GC is small.
図8は、上述した実施形態における学習処理により予測モデルを評価した結果を示す図であり、予測モデルとして部分的最小二乗回帰(PLS回帰)モデルを用いた場合のMSE、RMSE、MAE、R2を示す。図9は、上述した実施形態における予測モデルによりオイル濃度を予測した結果の評価を示す図であり、予測モデルとしてPLS回帰モデルを用いた場合のMSE、RMSE、MAE、R2を示す。実施例における説明変数は、NIRの演算値としてのオイル濃度および乾燥菌体重量と、培養条件としてのアンモニア水流加量積算値およびオイル流加量と、菌株情報(ダミー変数)とした。 FIG. 8 is a diagram showing the results of evaluating the prediction model by the learning process in the above-described embodiment. show. FIG. 9 is a diagram showing the evaluation of the result of oil concentration prediction by the prediction model in the embodiment described above, showing MSE, RMSE, MAE, and R2 when the PLS regression model is used as the prediction model. The explanatory variables in the examples were the oil concentration and dry cell weight as calculated values of NIR, the integrated ammonia water feed amount and oil feed amount as culture conditions, and strain information (dummy variables).
図10は、実施形態により予測したオイル濃度と、比較例としての測定したオイル濃度との関係を示す図である。図10において、プロットされた点は、予測されたオイル濃度を示す。測定したオイル濃度は、培養液中のオイル濃度をサンプリングしてガスクロマトグラフィー装置(ガスクロマトグラフ:Gas Chromatograph)を用いて測定した結果である。予測モデルは、部分的最小二乗回帰とした。実施例における説明変数は、NIRの演算値としてのオイル濃度および乾燥菌体重量と、培養条件としてのアンモニア水流加量の積算値及びオイル流加量と、菌株情報である。実施例によれば、予測モデルについて、二乗平均平方根誤差(RMSE)が0.094、決定係数(R2)が0.924になった。また、予測したオイル濃度は、測定したオイル濃度と高い相関があることが分かる。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the oil concentration predicted by the embodiment and the oil concentration measured as a comparative example. In FIG. 10, the plotted points indicate the predicted oil concentration. The measured oil concentration is the result of sampling the oil concentration in the culture solution and measuring it using a gas chromatograph (Gas Chromatograph). The prediction model was partial least squares regression. Explanatory variables in the example are the oil concentration and the dry cell weight as calculated values of NIR, the integrated value of ammonia water feed amount and oil feed amount as culture conditions, and strain information. The example yielded a root mean square error (RMSE) of 0.094 and a coefficient of determination (R2) of 0.924 for the predictive model. Also, it can be seen that the predicted oil concentration has a high correlation with the measured oil concentration.
図11(A)は、ガスクロマトグラフィー装置(GC)で測定したオイル濃度とNIRで測定したオイル濃度との関係を示す図であり、図11(B)は、ガスクロマトグラフィー装置(GC)で測定したオイル濃度と実施形態の予測モデルで予測したオイル濃度との関係を示す図である。図11(A)の下段にNIRで測定したオイル濃度における精度指標としてのMSE、RMSE、MAE、およびR2を示し、図11(B)の下段に実施形態における予測モデルで予測したオイル濃度における精度指標としてのMSE、RMSE、MAE、およびR2を示す。図11(A)によれば、GCで測定したオイル濃度に対するNIRで測定したオイル濃度の誤差が大きく、図11(B)によれば、GCで測定したオイル濃度に対する実施形態の予測モデルで予測したオイル濃度の誤差が小さいことが分かる。 FIG. 11(A) is a diagram showing the relationship between the oil concentration measured by the gas chromatography device (GC) and the oil concentration measured by NIR, and FIG. 11(B) is the gas chromatography device (GC) It is a figure which shows the relationship between the measured oil concentration and the oil concentration predicted by the prediction model of embodiment. The lower part of FIG. 11(A) shows MSE, RMSE, MAE, and R2 as accuracy indicators for the oil concentration measured by NIR, and the lower part of FIG. 11(B) shows the accuracy of the oil concentration predicted by the prediction model in the embodiment. MSE, RMSE, MAE, and R2 are shown as indices. According to FIG. 11 (A), the error in the oil concentration measured by NIR with respect to the oil concentration measured by GC is large, and according to FIG. 11 (B), the prediction model of the embodiment for the oil concentration measured by GC It can be seen that the error in the oil concentration calculated is small.
図12(A)は、ガスクロマトグラフィー装置(GC)で測定したオイル濃度とNIRで測定したオイル濃度との残差を示すヒストグラムであり、図12(B)は、ガスクロマトグラフィー装置(GC)で測定したオイル濃度と実施形態の予測モデルで予測したオイル濃度との残差を示すヒストグラムである。図12によれば、実施形態の予測モデルで予測したオイル濃度の誤差が、NIRで測定したオイル濃度の誤差よりも小さいことが分かる。 FIG. 12(A) is a histogram showing the residual difference between the oil concentration measured by the gas chromatography device (GC) and the oil concentration measured by NIR, and FIG. 12(B) is the gas chromatography device (GC) 3 is a histogram showing the residual difference between the oil concentration measured in , and the oil concentration predicted by the prediction model of the embodiment. According to FIG. 12, it can be seen that the error in the oil concentration predicted by the prediction model of the embodiment is smaller than the error in the oil concentration measured by NIR.
[実施形態の効果]
実施形態の培養システム1によれば、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システム1における予測装置300であって、培養液に含まれる成分を分析するNIR分析部208と、培養システム1による培養に関する変数を取得する取得部(200等)と、NIR分析部208による分析結果、および取得部により取得した変数に基づいて、基質に関する濃度を予測する予測処理部302と、を備える予測装置300を実現することができる。実施形態の培養システム1によれば、オイルの濃度を予測することができる。この結果、培養システム1によれば、既存の手法のように培養液を採取してGCを用いてオイル濃度を測定する作業を無くすことができ、作業負荷を軽減することができる。また、培養システム1によれば、連続的にオイル濃度を予測することにより、培養液中のオイル濃度を高い精度で制御することができ、生分解高分子の生産性を向上させることができる。
[Effects of Embodiment]
According to the
また、実施形態の培養システム1によれば、NIR分析部208による分析結果やその他の説明変数、およびオイル濃度を教師データとして学習した予測モデル304を構築し、実際の予測時には、NIR分析部208による分析結果、および取得部(200等)により取得した変数を予測モデル304に入力したことに対する、予測モデル304の出力に基づいてオイル濃度を予測することができる。この結果、培養システム1によれば、オイル濃度と相関があるNIR分析部208による分析結果やその他の説明変数を用いて予測モデル304を繰り返し学習させることにより、予測精度を高くすることができ、さらに生産性を向上させることができる。
Further, according to the
さらに、実施形態の培養システム1によれば、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システム1における制御装置であって、培養液に含まれる成分を分析するNIR分析部208と、培養システム1による培養に関する変数を取得する取得部(200等)と、NIR分析部208による分析結果、および取得部により取得した変数に基づいて、基質に関する濃度を予測する予測装置300と、予測装置300の予測結果に基づいて培養システム1を制御する制御部(600)と、を備える制御装置を実現することができる。この結果、培養システム1によれば、連続的にオイル濃度を予測し、培養液中のオイル濃度を高い精度で制御することができ、生分解高分子の生産性を向上させることができる。
Furthermore, according to the
さらに、実施形態の培養システム1によれば、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システム1における製造方法であって、培養液に含まれる成分を分析するステップと、培養システム1による培養に関する変数を取得するステップと、成分の分析結果、および変数に基づいて、基質に関する濃度を予測するステップと、を含む製造方法を実現することができる。実施形態の培養システム1によれば、オイルを基質とした微生物の培養により生分解性高分子を製造する培養システム1におけるコンピュータに、培養液に含まれる成分を分析するステップと、培養システム1による培養に関する変数を取得するステップと、成分の分析結果、および変数に基づいて、基質に関する濃度を予測するステップと、を実行させる、プログラムを実現することができる。この結果、培養システム1によれば、既存の手法のように培養液を採取してGCを用いてオイル濃度を測定する作業を無くすことができ、作業負荷を軽減することができる。また、培養システム1によれば、連続的にオイル濃度を予測することにより、培養液中のオイル濃度を高い精度で制御することができ、生分解高分子の生産性を向上させることができる。
Furthermore, according to the
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 As described above, the mode for carrying out the present invention has been described using the embodiments, but the present invention is not limited to such embodiments at all, and various modifications and replacements can be made without departing from the scope of the present invention. can be added.
1 培養システム
100 培養装置
120 攪拌装置
130 ポンプシステム
140 排ガスセンサ
142 溶存酸素センサ
144 温度センサ
146 pHセンサ
148 NIRセンサ
200 O2・CO2取得部
202 DO取得部
204 温度取得部
206 pH取得部
208 NIR分析部
300 予測装置
302 予測処理部
304 予測モデル
310 説明変数記憶部
312 説明変数設定部
400 学習装置
410 教師データ記憶部
430 モデル構築部
440 学習結果記憶部
500 表示装置
600 制御装置
1
Claims (13)
培養液に含まれる成分を分析する近赤外分光分析部と、
前記培養システムによる培養に関する変数を取得する取得部と、
前記近赤外分光分析部による分析結果、および前記取得部により取得した変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測する予測部と、
を備える予測装置。 A prediction device in a culture system for producing biodegradable polymers by culturing microorganisms using oil as a substrate,
a near-infrared spectroscopic analysis unit that analyzes components contained in the culture solution;
an acquisition unit that acquires variables related to culture by the culture system;
a prediction unit that predicts the concentration of the substrate based on the analysis result by the near-infrared spectroscopic analysis unit and the variables acquired by the acquisition unit;
A prediction device comprising a
培養液に含まれる成分を分析する近赤外分光分析部と、
前記培養システムによる培養に関する変数を取得する取得部と、
前記近赤外分光分析部による分析結果、および前記取得部により取得した変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測する予測部と、
前記予測部の予測結果に基づいて前記培養システムを制御する制御部と、
を備える制御装置。 A control device in a culture system for producing a biodegradable polymer by culturing microorganisms using oil as a substrate,
a near-infrared spectroscopic analysis unit that analyzes components contained in the culture solution;
an acquisition unit that acquires variables related to culture by the culture system;
a prediction unit that predicts the concentration of the substrate based on the analysis result by the near-infrared spectroscopic analysis unit and the variables acquired by the acquisition unit;
a control unit that controls the culture system based on the prediction result of the prediction unit;
A control device comprising:
培養液に含まれる成分を分析するステップと、
前記培養システムによる培養に関する変数を取得するステップと、
前記成分の分析結果、および前記変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測するステップと、
を含む製造方法。 A production method in a culture system for producing a biodegradable polymer by culturing microorganisms using oil as a substrate,
A step of analyzing components contained in the culture medium;
obtaining variables related to culturing by the culturing system;
predicting a concentration for the substrate based on the analytical results of the component and the variables;
Manufacturing method including.
請求項11に記載の製造方法。 In the step of supplying the substrate to the culture medium by the culture system, controlling the supply amount of the substrate based on the predicted concentration of the substrate;
The manufacturing method according to claim 11.
培養液に含まれる成分を分析するステップと、
前記培養システムによる培養に関する変数を取得するステップと、
前記成分の分析結果、および前記変数に基づいて、前記基質に関する濃度を予測するステップと、
を実行させる、プログラム。 In the computer in the culture system that manufactures biodegradable polymers by culturing microorganisms using oil as a substrate,
A step of analyzing components contained in the culture medium;
obtaining variables related to culturing by the culturing system;
predicting a concentration for the substrate based on the analytical results of the component and the variables;
The program that causes the to run.
Priority Applications (1)
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