微生物批式流加发酵动力系统参数辨识及最优控制

发布时间：2017-05-31 11:21

  本文关键词：微生物批式流加发酵动力系统参数辨识及最优控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微生物批式流加发酵生产1,3-丙二醇是一种重要的生产方式,但是目前的研究只考虑了细胞外的5种物质浓度的变化,没有考虑代谢机理、细胞内物质浓度的变化及重要的中间产物。在微生物发酵过程中,考虑细胞内物质是有必要的。本文主要从以下几个方面开展研究工作:1.建立微生物批式流加发酵动力系统,并进行参数辨识。在对微生物发酵生产1,3-丙二醇的国内外研究现状进行综述的基础上,针对微生物批式流加发酵生产1,3-丙二醇的特点,假设甘油和1,3-丙二醇的跨膜运输情形为主动运输和被动扩散相结合的前提下建立一个考虑细胞内物质,即细胞内甘油,细胞内1,3-丙二醇及重要的中间产物3-羟基丙醛的批式流加发酵非线性动力系统模型,对本文建立模型的性质和解的存在性、唯一性及解对初值的依赖性进行分析证明;在每个流加阶段的甘油流加策略是相同的前提下,把实验数据与计算得到的数据之间的误差平方和作为性能指标,建立参数辨识模型,并证明了参数的可辨识性,最后用改进的粒子群算法求解。2.研究细胞比生长速率对模型的影响。在微生物批式流加发酵生产1,3-丙二醇过程中,本文对比了分别采用两种不同的细胞比生长速率表达式的模型误差,进而研究细胞比生长速率对模型的影响。通过建立参数辨识模型,并利用改进的粒子群算法求解,根据数值结果确定细胞比生长速率的表达式。为微生物批式流加发酵生产1,3-丙二醇的研究者选择模型中的细胞比生长的速率表达式提供参考依据。3.研究了批式流加发酵的最优控制问题。在批式流加发酵过程中,甘油的流加速率是一个重要的可控变量,对目标产物1,3-丙二醇浓度生成具有决定作用,所以本文将甘油的流加速率作为控制变量,以发酵终端时刻1,3-丙二醇浓度最高为性能指标,建立了最优控制模型,并用改进粒子群算法求解。数值结果表明,终端时刻目标产物1,3-丙二醇浓度比实验值增加了10.33%,这为实际批式流加生产1,3-丙二醇起到了一定的指导作用。
【关键词】：微生物批式流加发酵 非线性动力系统 参数辨识 最优控制 粒子群算法
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O232
【目录】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1. 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 甘油歧化微生物生产 1,3-丙二醇的研究概况10-13
• 1.2.1 微生物发酵生产 1.3-丙二醇的方式10-11
• 1.2.2 微生物发酵生产 1.3-丙二醇研究概况11-13
• 1.3 系统生物学概况13-14
• 1.3.1 系统生物学的定义13
• 1.3.2 系统生物学的研究内容13-14
• 1.3.3 系统生物学研究的基本流程14
• 1.3.4 系统生物学的研究方法14
• 1.4 系统辨识14-15
• 1.5 本文的主要工作15-17
• 2. 预备知识17-24
• 2.1 常微分方程的定性理论17-18
• 2.2 微生物发酵动力学中几种速度函数18-20
• 2.3 粒子群算法20-21
• 2.3.1 粒子群算法的基本原理20
• 2.3.2 粒子群算法的基本流程20-21
• 2.4 微生物批式流加发酵生产 1,3-PD的代谢机理21-24
• 3. 微生物批式流加发酵动力系统及参数辨识24-34
• 3.1 引言24-25
• 3.2 批式流加发酵动力系统25-28
• 3.3 批式流加发酵动力系统性质28-29
• 3.4 参数辨识模型29-30
• 3.5 算法及数值结果30-32
• 3.6 结论32-34
• 4. 批式流加发酵系统参数辨识及最优控制34-46
• 4.1 引言34-35
• 4.2 批式流加发酵动力系统参数辨识35-43
• 4.2.1 批式流加发酵动力系统35-38
• 4.2.2 批式流加发酵动力系统性质38-39
• 4.2.3 参数辨识模型39-40
• 4.2.4 优化算法及数值结果40-43
• 4.3 批式流加发酵过程最优控制43-45
• 4.3.1 批式流加发酵过程最优控制模型43
• 4.3.2 数值结果43-45
• 4.4 结论45-46
• 5. 结论与展望46-47
• 5.1 主要工作及结论46
• 5.2 展望46-47
• 参考文献47-50
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况50-51
• 致谢51-52
• 作者简介52-53

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本文编号：409343