连续发酵抑制作用的混杂系统、稳定性及鲁棒辨识

发布时间：2020-08-12 04:42

【摘要】：本文以微生物歧化甘油连续发酵生产1,3-丙二醇为研究背景,在一个涉及胞内和胞外物质酶催化反应过程的动力学模型基础上,考虑关键中间代谢物抑制机制不明确的问题,提出了一个改进的混杂系统模型。在生物鲁棒性的依据下,本文对模型的动力学参数和涉及的不明确抑制机理进行参数辨识。同时,还分析了酶催化动力学模型的稳定性问题。本课题的研究受到国家自然科学基金、“973计划”以及“863计划”的项目资助。此项课题的研究,不仅能够丰富非线性混杂动力系统与计算生物学的理论知识,而且可为1,3-丙二醇的工业化生产实践提供参考,本文研究成果可概括如下:1.针对微生物代谢还原路径细胞内和细胞外物质的八维动力系统模型,考虑该非线性动力系统的平衡点计算和稳定性分析问题。首先对八维非线性稳态方程进行解耦和消元,把复杂非线性方程组的零点计算问题转化为两个仅含单一变量的有理方程求根问题,然后通过符号化实根隔离法求解该有理方程的全部实根,从而得到了八维非线性系统的所有稳态,进而利用李雅普诺夫方法估计了平衡点的稳定性,从数值上验证了甘油的微生物岐化过程中所出现的多态现象。2.综合考虑细胞外底物消耗、产物生成和细胞内的代谢反应过程、胞内胞外两种代谢环境之间,底物甘油和产物1,3-丙二醇的跨膜运输过程,以及胞内代谢反应的中间产物三羟基丙醛对两种关键酶—甘油脱水酶和1,3-丙二醇氧化还原酶的抑制作用,建立了一个非线性混杂动力系统模型,分析推导了系统解的存在唯一性,解关于参数的连续性以及解集的紧性。3.由于胞内数据缺乏,针对实验数据传统的辨识方法对此类问题不再行之有效的问题,本文从生物系统的一个基本特性——生物鲁棒性出发,提出了一个生物鲁棒性的定量指标,以生物鲁棒性为性能指标,以非线性混杂系统为约束,建立起参数辨识模型,证明了该模型的可辨识性,并通过离散化的技术,构造数值算法,推断出三羟基丙醛的抑制作用区域,并同时辨识出相应系统的最优参数。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O19
【图文】：

、逦逡逑冻剂等一些化工生产领域，尤其值得一提的是，研究结果显示由１，３－ＰＤ和对笨二甲逡逑（简记ＴＰＡ）合成的聚三甲基对笨二甲酸酯（简记ＰＴＴ）的性质非常好，ＰＴＴ是一种逡逑别具有工业化前景的醇类发酵产物［１６，１７］。逡逑目前，世界上生产１，３－ＰＤ的方法主要是化学合成法，如为大家广为熟知的荷兰的逡逑ｈｅｌｌ公司、德国的Ｄｅｇｕｓｓａ公司，他们都是在用这种化学合成法生产１，３－ＰＤ。化学合逡逑这种方法的生产条件常常是需要高温高压，生产过程要在昂贵的催化剂作用下进行，逡逑且产物又常常是１，３－ＰＤ和其他一些与１，３－ＰＤ性质相似的副产物的混合物，这就使得逡逑产中要有对产物分离这一步骤。根据产物的特点，人们发现对这个产物的分离、纯化逡逑求比较高的技术手段，操作起来比较困难，造成１，３－ＰＤ的生产成本随着提纯难度增逡逑而提高，这将对其下游产品ＰＴＴ的价格带来直接的影响，不仅于此，化学合成生产逡逑，３－ＰＤ这种方法还污染环境。正是因为这些缺点，科研人员试图去寻找一种新方法代替逡逑学合成法，以便克服化学合成法生产１，３－ＰＤ中存在的诸多问题，微生物发酵法就是逡逑样的一种新方法。逡逑

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本文编号：2790065