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CN116249761A - 用于控制氧水平的系统和方法 - Google Patents

用于控制氧水平的系统和方法 Download PDF

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CN116249761A
CN116249761A CN202180067811.1A CN202180067811A CN116249761A CN 116249761 A CN116249761 A CN 116249761A CN 202180067811 A CN202180067811 A CN 202180067811A CN 116249761 A CN116249761 A CN 116249761A
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B·泰姆
J·王
K·赫夫纳
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Sanofi Aventis France
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Sanofi Aventis France
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Abstract

传感器被配置成捕获表示环境的溶解氧(DO)测量值和所述环境的介质的电容测量值的测量数据。存储器包括计算机可执行指令。一个或多个处理器通信地联接到一个或多个传感器并且被配置成执行所述计算机可执行指令以实施以下操作，包括：使用由所述一个或多个传感器捕获的第一测量数据来生成基于第一组DO测量值与第一组电容测量值之间的关系的模型；从所述一个或多个传感器接收第二测量数据；使用所述模型并且基于所述新的电容测量值来预测预期的DO测量值；确定使用预期的DO测量值还是使用新的DO测量值；以及控制阀以基于预期的DO测量值来使所述确定的氧输入量流入到环境中。

Description

用于控制氧水平的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年8月6日提交的美国临时申请序列号63/062,134和2020年11月20日提交的欧洲申请序列号EP 20315463.8的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开文本总体上涉及活性环境，诸如生物反应器。
背景技术
生物反应器可以指支持生物活性环境的任何制造的装置或系统。例如，生物反应器可以是在其中实施化学过程的容器，所述化学过程涉及生物体或衍生自此类生物体的生物化学活性物质。该过程可以是有氧的或厌氧的。这些生物反应器可以是圆柱状，大小从几升到几立方米不等，并且可以是由不锈钢制成的。生物反应器也可以指被设计用于在细胞培养物的背景下生长细胞或组织的装置或系统。可以开发此类装置来用于在组织工程学或生化/生物过程工程学中使用。生物反应器可以分类为批次式、馈料批次式或连续流式(例如，连续搅拌釜式反应器模型)。连续流式生物反应器的例子是恒化器。在生物反应器中生长的生物体可以浸没在液体介质中，或者可以附着在固体介质的表面上。被浸没的培养物可以是悬浮的或固定的。
溶解氧(DO)可以指已溶解到水源中、诸如在生物反应器中的氧量。取决于应用，测量和记录水中溶解的氧量可能是至关重要的。当进行发酵和细胞培养时，溶解氧探针可以被用于测量生物反应器和细胞培养物内的溶解氧。无论是开发新药物还是研究细胞的生物化学性，适量的溶解氧对于生物反应器有效地工作会是重要的。生物反应器中的低溶解氧水平会导致细胞生长速率和营养物质吸收问题，这可能对研究和实验产生负面影响。为了避免此类问题，可以使用溶解氧传感器持续地测量溶解氧水平。
DO浓度对于细胞培养物的生长和生产非常重要。DO水平过高或过低都会导致不利影响。例如，当生物反应器内的DO水平变得太低时，生长速率可能减慢，营养物吸收可能变差，并且代谢物合成可能受到影响，这可能导致最终产品的质量降低和产量降低。另一方面，较高的DO水平会导致活性氧类的发展，这可能是会导致细胞死亡的高度不稳定的分子。物质的某些组分也会被氧化，这可能导致细胞突变。
发明内容
在一方面，提供了一种系统。所述系统包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置成捕获表示环境的溶解氧(DO)测量值和所述环境的介质的电容测量值的测量数据。所述系统包括包含计算机可执行指令的计算机可读存储器。所述系统包括通信地联接到所述一个或多个传感器并且被配置成执行所述计算机可执行指令的一个或多个处理器，其中，当所述一个或多个处理器正在执行所述计算机可执行指令时，所述一个或多个处理器被配置成实施以下操作，包括：使用由所述一个或多个传感器在第一时间间隔期间捕获的并且表示第一组DO测量值和第一组电容测量值的第一测量数据来生成基于所述第一组DO测量值与所述第一组电容测量值之间的关系的模型；从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第二时间间隔期间捕获的并且表示新的DO测量值和新的电容测量值的第二测量数据；使用所述模型并且基于所述新的电容测量值来预测预期的DO测量值；确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值来确定氧输入量；以及当确定使用所述预期的DO测量值时，控制阀以基于所述预期的DO测量值使所述确定的氧输入量流入到所述环境中。其他实现方式可以包括方法、装置、计算机可读介质、计算机程序产品和其他技术。
实现方式可以包括以下特征中的一些、全部或不包括以下特征。确定使用所述预期的溶解氧量还是使用所述新的DO量包括：基于所述新的DO测量值和所述第一组DO测量值来确定DO变化率；基于所述新的电容测量值和所述第一组电容测量值来确定电容变化率；以及当所述DO变化率超过所述电容变化率达某一变化率阈值时，确定使用所述预期的DO测量值。一种生物反应器，其中，所述一个或多个传感器包括DO传感器和电容传感器。确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：将所述新的电容测量值与电容阈值进行比较；以及当所述新的电容测量值超过所述电容阈值时，确定使用所述新的DO测量值。确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：将所述预期的DO测量值与所述新的DO测量值进行比较；以及当所述预期的DO测量值超过所述新的DO测量值时，确定使用所述预期的DO测量值。从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第三时间间隔期间捕获的并且表示第二组DO测量值和第二组电容测量值的第三测量数据；以及基于所述第三测量数据来更新所述模型。所述第三测量数据包括所述第二测量数据。
本公开文本的实现方式可以提供以下优点中的一个或多个。当与传统技术相比时，环境(例如，生物反应器)中的溶解氧的量可以以提高的精度和准确度进行调节，细胞培养物和发酵过程可以得到改善，并且来自传感器输出的噪声可以被降低。
这些和其他方面、特征和实现方式可以被表达为用于执行功能的方法、设备、系统、组件、程序产品、手段或步骤，以及其他方式。
从包括权利要求在内的以下描述中，这些和其他方面、特征和实现方式将变得显而易见。
附图说明
图1是展示用于控制氧水平的示例性系统的框图。
图2是展示用于控制氧水平的示例性方法的流程图。
图3是展示根据本公开文本的一些实现方式的用于提供与如在本公开文本中描述的算法、方法、功能、过程、流程和规程相关联的计算功能性的示例计算机系统的框图。
具体实施方式
生物反应器系统(有时在本说明书中称为生物反应器)可以包括容器，所述容器具有：搅拌器，用于混合所述生物反应器系统的内容物，以保持所述内容物的细胞处于均质状况，以更好地将营养物和氧输送到所期望的产品；挡板，用于打破所述容器中涡流形成；喷射器，用于向生长中的细胞供应氧(溶解氧)；以及绝热罩，其为恒温水循环提供环状区域。生物反应器系统还可以包括处理机构、诸如比例-积分-微分控制器(PID控制器)和质量流量控制器(MFC)，以控制和维持进入容器的某些类型的液体或气体。为了便于监测生物反应器中的溶解氧(DO)，DO传感器可以被用于测量生物反应器中的DO的量。在细胞生长期间，生物反应器的氧需求量会增长，从而导致增加氧气泡的持续注入以维持所述细胞生长。然而，这些氧气泡可能与DO传感器相互作用以导致所述DO传感器给出错误的读数(即，它们可能导致所述DO传感器测量出的生物反应器中的DO比所述生物反应器中实际的DO要多)。所述错误读数在其确定应添加到生物反应器中以维持细胞生长的DO的量时，会导致处理机制的准确性降低。
本说明书中描述的系统和方法可以降低上述缺点的影响。在一些实现方式中，电容传感器与DO传感器一起使用以测量生物反应器随时间推移的电容(生物质)。在生物反应器(或发酵器)中具有完整质膜的细胞可以被认为在电场的影响下充当电容器。质膜的非导电性质允许电荷的积累。所得到的电容可以被测量，并且可以与这些细胞的膜结合体积成比例。因此，电容可以用作生物质(例如，细胞密度)的正交测量值。在一些实现方式中，随时间推移测得的电容用于生成所述测得的电容与氧需求(来自MFC、致动器的O2输出)之间的关系的模型(斜率)，以随时间推移而维持DO设定值(目标DO值)。可以假设的是每个细胞的氧需求将保持恒定(即，可以得出氧吸收速率)。因此，随着电容增加，氧需求的增加应以恒定速率(即，根据氧吸收速率)增加。相应地，在一些实现方式中，所生成的模型可以用于预测生物反应器中维持DO设定值所需的预期氧输出，并且该预期氧输出量可以用于确定添加到所述生物反应器中以用于培养细胞生长并且匹配所述DO设定值的氧气量。在一些实现方式中，在预定时间量之后基于新的测量值来更新模型。在一些实现方式中，当新的DO测量值被DO传感器捕获时，确定使用所述新的DO测量值还是预测的DO测量值来确定要将多少氧输入到生物反应器中。在一些实现方式中，可以利用氧输出与电容之间的比较的历史数据来确定要将多少氧输入到生物反应器中。这可以用在DO测量噪声阻止准确生成氧输出与电容之间的关系的情形中。该确定可以是基于DO的确定变化率与电容的确定变化率的比较，或者它可以是基于预测的DO量与新的DO值的比较。
在附图中，为了便于描述，示出了示意性元素的具体布置或排序，诸如代表装置、模块、指令块和数据元素的那些。然而，本领域的技术人员应该理解，附图中示意性元素的特定排序或布置并不意味着需要特定顺序或序列的处理或过程分离。进一步地，在附图中包括示意性元素并不意味着暗示这种元素在所有实现方式中都是必需的，或由这种元素表示的特征在一些实现方式中可能不包括在其他元素中或不与其他元素组合。
进一步地，在附图中，在连接元素诸如实线或虚线或箭头用于展示两个或更多个其他示意性元素之间的连接、关系或关联时，缺少任何此类连接元素并不意味着暗示不存在连接、关系或关联。换句话说，元素之间的一些连接、关系或关联没有在附图中示出，以免模糊本公开文本。此外，为了便于展示，单个连接元素用于代表元素之间的多个连接、关系或关联。例如，在连接元素代表信号、数据或指令的通信的情况下，本领域技术人员应该理解，这种元素代表一个或多个信号路径(例如，总线)，如可能需要的，以影响通信。
现在将详细参考实现方式，在附图中展示了其例子。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对各种描述的实现方式的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员来说清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种描述的实现方式。在其他情形中，没有详细描述熟知的方法、规程、组件、电路和网络，以免不必要地模糊实现方式的各个方面。
下文描述了几个特征，每个特征可以彼此独立使用或者与其他特征的任意组合一起使用。然而，任何单个的特征可能不能解决上文讨论的任何问题，或者可能只解决上文讨论的问题之一。上文讨论的一些问题可能无法通过本文描述的任何特征完全解决。尽管可能提供了标题，与特定标题相关但未在具有该标题的部分中找到的数据也可以在本说明书的其他地方找到。
图1是展示用于控制氧水平的示例性系统100的框图。系统100包括一个或多个传感器120、喷射器130、控制阀140和计算机处理器110。
所述一个或多个传感器120包括DO传感器。在一些实现方式中，DO传感器包括电化学DO传感器，诸如极谱传感器或电流传感器。在一些实现方式中，DO传感器包括光学DO传感器。DO传感器被配置成测量生物反应器150中的DO量，并且生成表示测得的DO量的测量数据。所述一个或多个传感器120还包括电容传感器。所述电容传感器被配置成测量生物反应器中的介质(例如，细胞质量)的电容量，并且生成表示测得的电容量的测量数据。
控制阀140与氧供应管线流体连通，并且可以被用于调节通过喷射器130进入到生物反应器150中的氧流。如稍后将要描述的，阀140可以由计算机处理器110控制。
计算机处理器110通信地联接到所述一个或多个传感器120，并且包括计算机可读存储器111和计算机可读指令112。计算机可读存储器111(或计算机可读介质)可以包括适用于本地技术环境的任何数据存储技术类型，包括但不限于基于半导体的存储器装置、磁存储器装置和系统、光存储器装置和系统、固定存储器、可移动存储器、盘存储器、闪速存储器、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦编程只读存储器(EEPROM)等。在一些实现方式中，计算机可读存储器111包括具有可执行指令的代码段。
计算机处理器110可以包括通用处理器、中央处理单元(CPU)和/或至少一个专用集成电路(ASIC)。计算机处理器110还可以包括通用可编程微处理器、专用可编程微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用电子电路、或它们的组合。计算机处理器110被配置成执行程序代码装置，诸如计算机可执行指令112。在一些实现方式中，计算机处理器110包括PID控制器的全部或部分。在一些实现方式中，计算机处理器110包括质量流量控制器的全部或部分。
当执行计算机可执行指令112时，计算机处理器110被配置成从所述一个或多个传感器120接收测量数据，并且基于所述测量数据生成基于多个氧输出与多个电容测量值之间的关系的模型。在一些实现方式中，在生成模型之前，计算机处理器被配置成将指数(例如，过程变量(PV)滤波器)应用至测量数据，用于降低所述测量数据的预定噪声量，并且基于所述预定噪声量来校正所述测量数据的测量值。所述预定噪声量可以是基于所述一个或多个传感器120的已知设计参数和测试以及其他系统参数来预定的(即，基于所述一个或多个传感器120的测试和校准，可以知道所述一个或多个传感器120将固有地向所述测量数据增加多少噪声)。在一些实现方式中，所述一个或多个传感器120被配置成以一定的测量时间间隔捕获测量数据。例如，所述一个或多个传感器120可以被配置成每5秒、10秒或15秒捕获测量数据。计算机处理器110然后被配置成绘制在预定时间间隔(例如，一小时)期间捕获的一组DO测量值相对于一组电容测量值的曲线，以生成斜率。例如，如果所述一个或多个传感器120被配置成每5秒捕获测量数据，则计算机处理器110可以在一个小时的过程中绘制在t0(时间＝0)处测得的DO测量值相对于在t0处测得的电容测量值、在t1(时间＝5秒)处测得的DO测量值相对于在t1处测得的电容测量值、在t2(时间＝10秒)处测得的DO测量值相对于在t2处测得的电容测量值等等的曲线。在一些实现方式中，模型表示斜率，并且计算机处理器110被配置成确定斜率的平均值。在一些实现方式中，可以在预定时间量(例如，每720秒)之后用新的测量值来更新模型。例如，在所述小时间隔之后每720秒捕获的测量值可以被添加到模型，并且可以确定新的斜率平均值(这是一个移动平均函数，新值将阵列中的旧值剔除，因此所述斜率可以缓慢改变，所述720s可被修改)。
一旦模型被生成，计算机处理器110就接收新的测量数据(包括针对DO、电容和氧输出的对应的新测量值)，并且被配置成使用所述模型来确定基于新的电容测量值的预期的氧输出量。例如，对于每个新的电容测量值，计算机处理器110可以应用所述模型以使用所确定的平均斜率来确定预期的氧输出值。计算机处理器110然后被配置成确定使用所述新的氧输出值还是所述预期的氧输出值来确定应该使多少氧通过喷射器130流入生物反应器150中。在一些实现方式中，这包括将DO变化率(RoC)与电容RoC进行比较。例如，DO测量值之间的RoC可以与电容测量值之间的RoC进行比较。在一些实现方式中，如果DO RoC大于电容RoC，则使用预期的DO测量值来确定要添加到生物反应器中的DO的量。在一些实现方式中，电容RoC是真实电容RoC到氧流单元的转换。例如，电容RoC可以是电容随时间的实际改变乘以先前确定的氧输出/电容斜率，以获得预期的氧输出RoC。在一些实现方式中，如果预期的氧输出RoC大于氧输出RoC，则预期的氧输出测量值被用于确定要添加到生物反应器150中的氧量。如果预期的氧输出RoC小于或等于氧输出RoC，则新的氧输出被用于确定要添加到生物反应器150中的氧量。在一些实现方式中，如果预期的氧输出大于新的氧输出，则所确定的氧输出被用于确定要添加到生物反应器150中的氧量。在一些实现方式中，如果新的电容测量值大于电容阈值，则新的氧输出被用于确定要添加到生物反应器150中的氧量。所述电容阈值可以是基于生物反应器150的生长阶段，并且可以确保在已经完成生长阶段之后使用新的氧输出。在一些实现方式中，新的氧输出和新的电容测量值被用于更新模型，如先前所描述的。
一旦确定了要使用的氧输出类型(即，预期的氧输出或新的氧输出)，计算机处理器110就被配置成基于所确定的氧输出和用于生物反应器150的期望氧输出量来确定要添加到所述生物反应器中的氧量。所述期望氧输出量可以是基于例如对有效细胞培养物状况的要求。计算机处理器110被配置成操作阀140以使氧通过喷射器130进入生物反应器150。
图2是展示用于控制氧水平的示例性方法200的流程图。在一些实现方式中，方法200由先前参考图1所讨论的计算机处理器110执行。方法200包括：基于第一测量数据生成模型(框210)；接收第二测量数据(框220)；预测预期的氧输出(框230)；确定使用预期的氧输出还是使用新的氧输出(框240)；以及基于所述预期的氧输出或所述新的氧输出来控制阀(框250)。
通常，过程200可以被认为是执行以下操作，包括：将DO测量值发送到PID以生成氧输出；找到电容测量值；建立氧输出与电容之间的斜率；生成斜率的滚动平均值和/或指数滤波器；将滚动平均值/经指数滤波的斜率值乘以电容以确定预期的氧输出；确定使用预期的氧输出还是使用新的氧输出；以及基于预期的氧输出或新的氧输出值来控制阀(致动器)。
在框210处，测量数据是从一个或多个传感器(例如，图1中所示出的传感器120)接收的，表示在预定时间间隔上捕获的一组DO测量值和一组电容测量值。绘出氧输出相对于对应的电容测量值的曲线图，并且基于所述曲线确定平均斜率。
在框220处，接收第二测量数据，所述第二测量数据表示新的DO测量值和新的电容测量值。
在框230处，将平均斜率应用于新的电容测量值以确定预期的氧输出。
在框240处，在确定要添加到生物反应器中的氧量时，确定使用预期的氧输出还是使用新的氧输出。在一些实现方式中，所述确定是基于DO RoC与电容RoC的比较，如先前参考图1所描述的。在一些实现方式中，所述确定是基于预期的氧输出与新的氧输出的比较，如先前参考图1所描述的。
在框250处，如果确定使用预期的氧输出，则控制阀被控制用于基于所述预期的氧输出使氧进入生物反应器。如果确定使用新的氧输出，则控制阀被控制用于基于所述新的氧输出使氧进入生物反应器。
图3是根据本公开文本的一些实现方式的用于提供与在本公开文本中描述的算法、方法、功能、过程、流程和规程相关联的计算功能性的示例计算机系统500的框图。所展示的计算机502旨在涵盖任何计算装置，诸如服务器、台式计算机、膝上型/笔记本计算机、无线数据端口、智能电话、个人数据助理(PDA)、平板计算装置或这些装置中的一个或多个处理器，包括物理实例、虚拟实例或两者。计算机502可以包括可以接受用户信息的输入装置，诸如小键盘、键盘和触摸屏。此外，计算机502可以包括输出装置，所述输出装置可以传送与计算机502的操作相关联的信息。所述信息可以包括数字数据、视觉数据、音频信息或信息的组合。信息可以在图形用户接口(UI)(或GUI)中呈现。
计算机502可以充当客户端、网络组件、服务器、数据库、持久性或用于执行本公开文本中描述的主题的计算机系统的组件。所展示的计算机502与网络530可通信地联接。在一些实现方式中，计算机502的一个或多个组件可以被配置成在不同的环境中操作，包括基于云计算的环境、本地环境、全局环境以及环境的组合。
在高级别上，计算机502是可操作以接收、传输、处理、存储和管理与所描述的主题相关联的数据和信息的电子计算装置。根据一些实现方式，计算机502还可以包括应用服务器、电子邮件服务器、网络服务器、缓存服务器、流数据服务器或服务器的组合，或者与之可通信地联接。
计算机502可以通过网络530从客户端应用程序(例如，在另一台计算机502上执行的)接收请求。计算机502可以通过使用软件应用处理接收到的请求来响应接收到的请求。请求也可以从内部用户(例如，从命令控制台)、外部(或第三方)、自动化应用、实体、个人、系统和计算机发送到计算机502。
计算机502的每个组件可以使用系统总线503进行通信。在一些实现方式中，计算机502的任何或所有组件，包括硬件或软件组件，可以通过系统总线503彼此接口连接或与接口505(或两者的组合)接口连接。接口可以使用应用编程接口(API)512、服务层513或API512和服务层513的组合。API 512可以包括例程、数据结构和对象类的规范。API 512可以独立于计算机语言，也可以依赖于计算机语言。API 512可以指完整的接口、单个功能或一组API。
服务层513可以向计算机502和可通信地联接到计算机502的其他组件(无论是否展示)提供软件服务。使用所述服务层的所有服务消费者都可以访问计算机502的功能。诸如由服务层513提供的软件服务可以通过定义的接口提供可重用的、定义的功能。例如，接口可以是用JAVA、C++或以可扩展标记语言(XML)格式提供数据的语言编写的软件。虽然被展示为计算机502的集成组件，但是在替代实现方式中，API 512或服务层513可以是与计算机502的其他组件以及可通信地联接到计算机502的其他组件相关的独立组件。此外，在不脱离本公开文本的范围的情况下，API 512或服务层513的任何或所有部分可以被实现为另一软件模块、企业应用或硬件模块的子模块或子模块。
计算机502包括接口504。尽管在图3中被展示为单个接口504，但是根据计算机502和所描述的功能的特定需求、期望或特定实现方式，可以使用两个或更多个接口504。计算机502可以使用接口504与分布式环境中连接到网络530(无论是否展示)的其他系统通信。通常，接口504可以包括或使用编码在可操作来与网络530通信的软件或硬件(或软件和硬件的组合)中的逻辑来实现。更具体地，接口504可以包括支持与通信相关联的一个或多个通信协议的软件。这样，网络530或接口的硬件可以可操作以在所展示的计算机502内部和外部传送物理信号。
计算机502包括处理器505。尽管在图3中被展示为单个处理器505，但是根据计算机502和所描述的功能的特定需求、期望或特定实现方式，可以使用两个或更多个处理器505。通常，处理器505可以执行指令并且可以操纵数据来执行计算机502的操作，包括使用如本公开文本中描述的算法、方法、功能、过程、流程和规程的操作。
计算机502还包括数据库506，所述数据库可以保存用于计算机502和连接到网络530的其他组件(无论是否展示)的数据(例如，重要数据516)。例如，数据库506可以是存储器内的、传统的或存储与本公开文本一致的数据的数据库。在一些实现方式中，根据计算机502和所述功能的特定需求、期望或特定实现方式，数据库506可以是两种或更多种不同数据库类型的组合(例如，混合存储器内数据库和传统数据库)。尽管在图3中被展示为单个数据库506，但是根据计算机502和所描述的功能的特定需求、期望或特定实现方式，可以使用两个或更多个数据库(相同类型、不同类型或类型的组合)。虽然数据库506被展示为计算机502的内部组件，但是在替代实现方式中，数据库506可以在计算机502的外部。
计算机502还包括存储器507，其可以保存计算机502或连接到网络530的组件的组合(无论是否展示)的数据。存储器507可以存储符合本公开文本的任何数据。在一些实现方式中，根据计算机502的特定需求、期望或特定实现方式以及所描述的功能，存储器507可以是两种或多种不同类型的存储器的组合(例如，半导体和磁存储器的组合)。尽管在图3中被展示为单个存储器507，但是根据计算机502和所描述的功能的特定需求、期望或特定实现，可以使用两个或更多个存储器507(相同类型的、不同类型的或组合类型的)。虽然存储器507被展示为计算机502的内部组件，但是在替代实现方式中，存储器507可以在计算机502的外部。
应用508可以是算法软件引擎，其根据计算机502的特定需求、期望或特定实现方式以及所描述的功能来提供功能。例如，应用508可以充当一个或多个组件、模块或应用。此外，尽管被展示为单个应用508，但是应用508可以被实现为计算机502上的多个应用508。此外，尽管被展示为在计算机502内部，但是在替代实现中，应用508可以在计算机502外部。
计算机502还可以包括电源514。电源514可以包括可充电或不可充电的电池，所述电池可以被配置成用户可更换的或用户不可更换的。在一些实现方式中，电源514可以包括功率转换和管理电路，包括再充电、待机和功率管理功能。在一些实现方式中，电源514可以包括电源插头，以允许计算机502插入墙壁插座或电源，例如，给计算机502供电或给可充电电池再充电。
可以有任意数量的计算机502与包含计算机502的计算机系统相关联或在计算机系统外部，每个计算机502通过网络530通信。此外，在不脱离本公开文本的范围的情况下，术语“客户端”、“用户”和其他适当的术语可以适当地互换使用。此外，本公开文本设想许多用户可以使用一台计算机502，并且一个用户可以使用多台计算机502。
本说明书中描述的主题和功能操作的实现可以在数字电子电路中、在有形体现的计算机软件或固件中、在包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的计算机硬件中、或者在它们中的一个或多个的组合中实现。所描述主题的软件实现可以被实现为一个或多个计算机程序。每个计算机程序可以包括编码在有形的、非暂时性的、计算机可读的计算机存储介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。可替代地或附加地，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号中/上。例如，信号可以是机器生成的电、光或电磁信号，其被生成以编码信息，用于传输到合适的接收器设备，以由数据处理设备执行。计算机存储介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基底、随机或串行存取存储装置或计算机存储介质的组合。
术语“数据处理设备”、“计算机”和“电子计算机装置”(或本领域普通技术人员理解的等同物)指的是数据处理硬件。例如，数据处理设备可以涵盖用于处理数据的所有种类的设备、装置和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。所述设备还可以包括专用逻辑电路，包括例如中央处理器(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。在一些实现方式中，数据处理设备或专用逻辑电路(或数据处理设备或专用逻辑电路的组合)可以是基于硬件或软件的(或基于硬件和软件的组合)。所述设备可以可选地包括为计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或执行环境的组合的代码。本公开文本涵盖使用具有或不具有常规操作系统的数据处理设备，例如LINUX、UNIX、WINDOWS、MAC OS、ANDROID或IOS。
计算机程序也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码，可以用任何形式的编程语言编写。编程语言可以包括例如编译语言、解释语言、声明语言或过程语言。程序可以以任何形式部署，包括在计算环境中使用的独立程序、模块、组件、子程序或单元。计算机程序可以，但不是必须，对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中，例如存储在标记语言文档中的一个或多个脚本，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在存储一个或多个模块、子程序或部分代码的多个协同文件中。计算机程序可以被部署用于在一台计算机或多台计算机上执行，这些计算机例如位于一个站点或分布在通过通信网络互连的多个站点上。虽然各图中所示的部分程序可以被展示为通过各种对象、方法或过程实现各种特征和功能的单独模块，但是这些程序可以替代地包括多个子模块、第三方服务、组件和库。相反，各种组件的特征和功能可以适当地组合成单个组件。用于进行计算确定的阈值可以是静态的、动态的，或者是静态和动态确定的。
本说明书中描述的方法、过程或逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程计算机来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能。方法、过程或逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行，并且设备也可以被实现为专用逻辑电路，例如，CPU、FPGA或ASIC。
适于执行计算机程序的计算机可以基于一个或多个通用和专用微处理器以及其他类型的CPU。计算机的元件是用于执行或执行指令的CPU和用于存储指令和数据的一个或多个存储装置。通常，CPU可以从存储器接收指令和数据(并向存储器写入数据)。计算机还可以包括或可操作地联接到一个或多个用于存储数据的大容量存储装置。在一些实现方式中，计算机可以从大容量存储装置接收数据，并将数据传输到大容量存储装置，例如包括磁盘、磁光盘或光盘。此外，计算机可以嵌入另一个装置中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏控制台、全球定位系统(GPS)接收器或便携式存储装置(如通用串行总线(USB)闪存驱动器)。
适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质(暂时的或非暂时的，视情况而定)可以包括所有形式的永久/非永久和易失性/非易失性存储器、介质和存储装置。计算机可读介质可以包括例如半导体存储装置，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、相变存储器(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存装置。计算机可读介质还可以包括例如磁性装置，如磁带、磁带盒、盒式磁带和内部/可移动磁盘。计算机可读介质还可以包括磁光盘和光学存储装置和技术，包括例如数字视频光盘(DVD)、CD ROM、DVD+/-R、DVD-RAM、DVD-ROM、HD-DVD和BLURAY。存储器可以存储各种对象或数据，包括缓存、类、框架、应用、模块、备份数据、作业、网页、网页模板、数据结构、数据库表、存储库和动态信息。存储在存储器中的对象和数据的类型可以包括参数、变量、算法、指令、规则、约束和引用。此外，存储器可以包括日志、策略、安全或访问数据以及报告文件。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或结合在其中。
本公开文本中描述的主题的实现可以在具有显示装置的计算机上实现，所述显示装置用于提供与用户的交互，包括向用户显示信息(以及从用户接收输入)。显示装置的类型可以包括，例如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)和等离子显示器。显示装置可以包括键盘和定点装置，包括例如鼠标、轨迹球或轨迹板。还可以通过使用触摸屏向计算机提供用户输入，诸如具有压力灵敏度的平板计算机表面或使用电容或电传感的多点触摸屏。其他类型的装置可以用于提供与用户的交互，包括接收用户反馈，包括例如包括视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈的感觉反馈。可以以声音、语音或触觉输入的形式接收来自用户的输入。此外，计算机可以通过向用户使用的装置发送文档和从用户使用的装置接收文档来与用户交互。例如，计算机可以响应于从网络浏览器接收的请求，向用户的客户端装置上的网络浏览器发送网页。
术语“图形用户接口”或“GUI”可以用单数或复数来描述一个或多个图形用户接口以及特定图形用户接口的每个显示。因此，GUI可以代表任何图形用户接口，包括但不限于网络浏览器、触摸屏或命令行接口(CLI)，其处理信息并向用户有效地呈现信息结果。一般来说，GUI可以包括多个用户接口(UI)元素，其中的一些或全部元素与网络浏览器相关联，诸如交互字段、下拉列表和按钮。这些和其他UI元素可以与网络浏览器的功能相关或代表网络浏览器的功能。
本说明书中描述的主题的实现方式可以在包括后端组件(例如，作为数据服务器)或包括中间件组件(例如，应用服务器)的计算系统中实现。此外，计算系统可以包括前端组件，例如，具有图形用户接口或网络浏览器之一或两者的客户端计算机，用户可以通过所述图形用户接口或网络浏览器与计算机交互。系统的组件可以通过通信网络中任何形式或介质的有线或无线数字数据通信(或数据通信的组合)来互连。通信网络的例子包括局域网(LAN)、无线接入网络(RAN)、大都市域网(MAN)、广域网(WAN)、微波接入的全球互操作性(WIMAX)、无线局域网(WLAN)(例如，使用802.11a/b/g/n或802.20或协议的组合)、互联网的全部或一部分或在一个或多个位置处的任何其他通信系统或系统(或通信网络的组合)。网络可以与例如互联网协议(IP)数据包、帧中继帧、异步传输模式(ATM)单元、语音、视频、数据或网络地址之间的通信类型的组合通信。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常可以彼此远离，并且通常可以通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系可以借助于运行在各自计算机上并具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。
群集文件系统可以是任何类型的文件系统，可从多个服务器访问以进行读取和更新。锁定或一致性跟踪可能是不必要的，因为交换文件系统的锁定可以在应用层处完成。此外，Unicode数据文件可以不同于非Unicode数据文件。
虽然本说明书包含许多具体的实施细节，但是这些不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而是对特定实现方式特有的特征的描述。本说明书中在单独的实现方式的背景下描述的某些特征也可以在单个实现方式中组合实现。相反，在单个实现方式的背景下描述的各种特征也可以在多个实现方式中单独地实现，或者以任何合适的子组合实现。此外，尽管先前描述的特征可以被描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下，要求保护的组合中的一个或多个特征可以从所述组合中删除，并且要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变体。
已经描述了主题的特定实现方式。对本领域技术人员来说显而易见的是，所描述的实现方式的其他实现方式、变更和置换都在以下权利要求的范围内。虽然在附图或权利要求中以特定顺序描述了操作，但是这不应理解为要求必须以所示的特定顺序或序列执行这些操作，或者要求执行所有展示的操作(一些操作可以被认为是可选的)，以获得期望的结果。在某些情况下，多任务或并行处理(或多任务和并行处理的组合)可能是有利的，并且被认为是适当的。
此外，前面描述的实现方式中的各种系统模块和组件的分离或集成不应被理解为在所有实现方式中都需要这种分离或集成，并且应理解，所描述的程序组件和系统通常可以集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
因此，先前描述的示例实现方式不定义或约束本公开文本。在不脱离本公开文本的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。
此外，任何要求保护的实现方式被认为至少适用于：计算机实现的方法；存储计算机可读指令以执行所述计算机实现的方法的非暂时性计算机可读介质；和计算机系统，所述计算机系统包括与硬件处理器可操作地互连的计算机存储器，所述硬件处理器被配置成执行所述计算机实现的方法或存储在非暂时性计算机可读介质上的指令。
已经描述了这些系统和方法的多个实现方式。然而，这些系统和方法可以包括其他实现方式。例如，尽管已经在生物反应器的背景下描述了系统和方法，但是所描述的系统和方法在其他背景下可以是有用的。这种类型的控制类似于模型预测控制器与PID控制器的混合。通过利用PID控制器的输出并且确定其与生物反应器内其他测量值的关系或相关性，这可以应用于增加控制的鲁棒性。当输入测量值中有影响PID控制器的输出的过多噪声时，可以利用这种类型的控制方案。通过用模型增强PID控制器，可以修改该控制器的输出以使其更加可靠。这可以通过用模型预期输出替换PID的直接输出来实现，或者通过来自模型的预期输出对PID强加约束来实现。在这种情况下，利用电容测量控制氧得到了演示(行业首创)。

Claims (21)

1.一种系统，其包括：
一个或多个传感器，其被配置成捕获测量数据，所述测量数据表示环境的溶解氧(DO)测量值和所述环境的介质的电容测量值；
计算机可读存储器，其包括计算机可执行指令；以及
一个或多个处理器，其通信地联接到所述一个或多个传感器并且被配置成执行所述计算机可执行指令，其中，当所述一个或多个处理器正在执行所述计算机可执行指令时，所述一个或多个处理器被配置成实施以下操作，所述操作包括：
使用由所述一个或多个传感器在第一时间间隔期间捕获的并且表示第一组DO测量值和第一组电容测量值的第一测量数据来生成基于所述第一组DO测量值与所述第一组电容测量值之间的关系的模型；
从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第二时间间隔期间捕获的并且表示新的DO测量值和新的电容测量值的第二测量数据；
使用所述模型并且基于所述新的电容测量值来预测预期的DO测量值；
确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值来确定氧输入量；以及
当确定使用所述预期的DO测量值时，控制阀以基于所述预期的DO测量值使所述确定的氧输入量流入到所述环境中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
基于所述新的DO测量值和所述第一组DO测量值来确定DO变化率；
基于所述新的电容测量值和所述第一组电容测量值来确定电容变化率；以及
当所述DO变化率超过所述电容变化率达某一变化率阈值时，确定使用所述预期的DO测量值。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括生物反应器，其中，所述一个或多个传感器包括DO传感器和电容传感器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
将所述新的电容测量值与电容阈值进行比较；以及
当所述新的电容测量值超过所述电容阈值时，确定使用所述新的DO测量值。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
将所述预期的DO测量值与所述新的DO测量值进行比较；以及
当所述预期的DO测量值超过所述新的DO测量值时，确定使用所述预期的DO测量值。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的系统，所述操作进一步包括：
从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第三时间间隔期间捕获的并且表示第二组DO测量值和第二组电容测量值的第三测量数据；以及
基于所述第三测量数据来更新所述模型。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第三测量数据包括所述第二测量数据。
8.一种方法，其包括：
使用由一个或多个传感器在第一时间间隔期间捕获的并且表示第一组DO测量值和第一组电容测量值的第一测量数据来生成基于所述第一组DO测量值与所述第一组电容测量值之间的关系的模型，其中，所述一个或多个传感器被配置成捕获表示环境的溶解氧(DO)测量值和所述环境的介质的电容测量值的测量数据；
从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第二时间间隔期间捕获的并且表示新的DO测量值和新的电容测量值的第二测量数据；
使用所述模型并且基于所述新的电容测量值来预测预期的DO测量值；
确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值来确定氧输入量；以及
当确定使用所述预期的DO测量值时，控制阀以基于所述预期的DO测量值使所述确定的氧输入量流入到所述环境中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
基于所述新的DO测量值和所述第一组DO测量值来确定DO变化率；
基于所述新的电容测量值和所述第一组电容测量值来确定电容变化率；以及
当所述DO变化率超过所述电容变化率达某一变化率阈值时，确定使用所述预期的DO测量值。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个传感器包括DO传感器和电容传感器。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
将所述新的电容测量值与电容阈值进行比较；以及
当所述新的电容测量值超过所述电容阈值时，确定使用所述新的DO测量值。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
将所述预期的DO测量值与所述新的DO测量值进行比较；以及
当所述预期的DO测量值超过所述新的DO测量值时，确定使用所述预期的DO测量值。
13.根据权利要求8至12中的一项所述的方法，其进一步包括：
从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第三时间间隔期间捕获的并且表示第二组DO测量值和第二组电容测量值的第三测量数据；以及
基于所述第三测量数据来更新所述模型。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第三测量数据包括所述第二测量数据。
15.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行以下操作，所述操作包括：
使用由一个或多个传感器在第一时间间隔期间捕获的并且表示第一组DO测量值和第一组电容测量值的第一测量数据来生成基于所述第一组DO测量值与所述第一组电容测量值之间的关系的模型，其中，所述一个或多个传感器被配置成捕获表示环境的溶解氧(DO)测量值和所述环境的介质的电容测量值的测量数据；
从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第二时间间隔期间捕获的并且表示新的DO测量值和新的电容测量值的第二测量数据；
使用所述模型并且基于所述新的电容测量值来预测预期的DO测量值；
确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值来确定氧输入量；以及
当确定使用所述预期的DO测量值时，控制阀以基于所述预期的DO测量值使所述确定的氧输入量流入到所述环境中。
16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
基于所述新的DO测量值和所述第一组DO测量值来确定DO变化率；
基于所述新的电容测量值和所述第一组电容测量值来确定电容变化率；以及
当所述DO变化率超过所述电容变化率达某一变化率阈值时，确定使用所述预期的DO测量值。
17.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述一个或多个传感器包括DO传感器和电容传感器。
18.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
将所述新的电容测量值与电容阈值进行比较；以及
当所述新的电容测量值超过所述电容阈值时，确定使用所述新的DO测量值。
19.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，确定使用所述预期的DO测量值还是使用所述新的DO测量值包括：
将所述预期的DO测量值与所述新的DO测量值进行比较；以及
当所述预期的DO测量值超过所述新的DO测量值时，确定使用所述预期的DO测量值。
20.根据权利要求15至19中的一项所述的非暂时性计算机可读介质，所述操作包括：
从所述一个或多个传感器接收由所述一个或多个传感器在第三时间间隔期间捕获的并且表示第二组DO测量值和第二组电容测量值的第三测量数据；以及
基于所述第三测量数据来更新所述模型。
21.根据权利要求20所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述第三测量数据包括所述第二测量数据。
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