多尺度生物过程信息集成与数据库管理

【摘要】近年来随着生物技术的发展，生物工程已经越来越多的应用于医药、能源、食品、环境治理等领域。目前生物工程的开发已经走出实验室，实现工业化生产。由于生物参量测量的困难性和过程的复杂性，集成过程参数分析的科学仪器、提取过程特征、开发软件自动控制系统成为生物过程现代化的关键。目前，国内外开发了一些过程参数检测仪器，但是他们都是分散存在的。将仪器集成，开发多尺度生物过程信息集成和数据库管理系统，会极大地提高生物过程监测的全面性和自动化程度。本文结合生物过程仪器监测数据集成及数据库建立项目，以生物过程在线测控系统和多尺度数据库管理系统的构建为研究对象，主要从系统集成、通信协议设计、多尺度生物数据库设计、数据中心建设和应用方面进行了较为深入的研究。本文针对生物过程参数信息需求分析，结合目前生物过程测控系统的发展现状与趋势，确定了本系统集成的仪器和本地在线监测软件以及远程在线数据访问Web端的功能。构建了本地CAN网络，其中常规参数采集仪、控制仪、在线吸光度检测仪和电子鼻等4台仪器挂在CAN总线上，采用Modbus-RTU协议与本地监控工控主机进行通信，在线介电频谱检测仪、细胞显微观察仪、红外光谱仪和过程质谱仪等4台仪器采用串口连接，通信协议也按照Modbus-RTU格式定义。本地检测系统同时配备短信服务器，通过GSM网络给客户手机发送超限报警。生物过程测控软件设计包含软件架构设计，公共类设计和界面实现。主要功能包括：用户管理，新建实验，实验模板管理、自动和手动控制、设备管理、批次数据查询、数据导出、软件使用说明等功能。数据库设计部分包括WindowsServer2008下MySQL服务器的部署，数据库逻辑结构设计、E-R图、逻辑图，表设计和实现。本章同时研究了细胞图像在数据库中的存储方法。远程数据访问主要包含数据访问页面的设计，开发过程中的图形控件使用，然后从通讯协议，网络搭建和服务器架构三个方面介绍了网站的建设。当前已存在的生物过程测控系统多注重于环境参数的采集与控制。本文开发的生物过程在线监测系统可同时管理多台仪器，并且根据用户需求选择不同的仪器组合，收集实验数据，同时将数据上传至数据中心，用户可以通过Web界面远程观测实验数据。构建的多尺度生物过程数据库包含了常规的数值型参数和微生物生长的图像信息，数据库预留了扩展更多参数的接口，为今后生物数据库的构建和扩展提供了参考。最后展示了该系统在螺旋藻和毕赤酵母培养过程中的应用，软件系统测试结果表明，该系统运行稳定可靠，有效提高了发酵过程的自动化水平和产品品质。
【作者】郭冬莲；
【导师】蔡强；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】生物过程；监测控制；数据库；远程访问；

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