间歇发酵非线性混杂动力S系统及参数辨识

发布时间：2020-07-08 05:37

【摘要】：本文以微生物（克雷伯氏杆菌）在厌氧条件下歧化甘油生产1.3-丙二醇（1.3-PD）的间歇发酵过程为背景，针对胞外甘油和胞内1.3-PD的跨膜运输方式机理不清和3-羟基丙醛（3-HPA）对微生物、底物甘油和胞外产物（1.3-PD、乙酸和乙醇）的抑制不明等问题，分别建立相应的非线性混杂动力S系统。然后，以胞外物质浓度计算值和实验值的最小二乘误差为性能指标，建立非线性混杂动力S系统的参数辨识模型。最后，利用惯性权重线性递减的改进粒子群优化算法对该辨识模型求解，以分析和推断甘油和1.3-PD最有可能的跨膜运输方式组合及3-HPA对微生物、底物甘油和胞外产物（1.3-PD、乙酸和乙醇）是否具有抑制作用。研究一方面丰富和发展了非线性混杂系统、S系统和系统辨识等理论；另一方面，为深入理解克雷伯氏杆菌发酵过程中的胞内代谢途径提供了数值参考，进而为1.3-丙二醇的大规模产业化生产提供理论指导。因此，该研究项目具有一定的理论意义与应用价值。本论文的研究内容与取得的主要成果可概括如下：（1）首先，在3-HPA对菌种、底物和胞外产物没有抑制作用的前提下，基于甘油微生物歧化过程还原途径酶催化S系统动力学模型，根据甘油和1.3-PD可能存在的9种跨膜运输方式组合，建立相应的非线性混杂动力S系统，并证明该系统速度矢函数的Lipschitz连续性及线性增长性、系统解的存在唯一性和解关于参数的连续可微性等性质。其次，以胞外物质浓度计算值和实验值的平均相对误差为性能指标，以非线性混杂动力S系统为约束条件，建立关于离散变量和连续变量的混杂动力S系统的参数辨识优化模型，并证明该模型的可辨识性。最后，利用惯性权重线性递减的改进粒子群算法对该辨识模型进行求解，推断出甘油和1.3-PD最有可能的跨膜运输方式均是主被动运输相结合，并且胞外物质浓度计算值和实验值的平均相对误差下降了2%-3%，说明该模型较好地模拟了间歇发酵过程。（2）基于上述甘油和1.3-丙二醇的跨膜运输方式均是主被动运输相结合时的S系统模型，建立包含3种情形的非线性混杂动力S系统及其参数辨识模型，分析3-HPA对微生物、底物甘油和胞外产物（1.3-PD、乙酸和乙醇）的抑制影响。然后，利用惯性权重线性递减的改进粒子群算法对该辨识模型进行求解，依目标函数最小值，推断出3-HPA对微生物、底物甘油和主要产物胞外1.3-PD，乙酸和乙醇均具有抑制影响。（3）在模型的分析过程中，对于含有离散变量和连续变量的参数辨识模型的难辨识性，利用两类变量的相互独立性将其分解为关于离散变量的子辨识模型和连续变量的子辨识模型进行求解。同时由于非线性混杂动力S系统具有很强的非线性性，目前为止无法有效获取关于参量的解析解，因此本文采取常微分方程数值解的方法，并利用C++语言编程，Matlab画图软件进行数值模拟，获取该辨识问题较满意的数值解，从而确定最合理的系统。
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O175;N945.14
【图文】：

路径图,甘油生产,歧化,路径图

图 2.2 微生物厌氧歧化甘油生产 1.3-PD 的代谢路径图 pathways diagram for microbial anaerobic culture of glycerol bio-c1.3-PD运输胞的正常功能，必须控制离子和分子在细胞和环境之性透过介质和细胞中组分，保障对基本营养物质的摄取子浓度的调节，从而使细胞的胞内环境相对稳定。因胞的生长至关重要，选自文献[50]。运输以浓度差为标准分为被动转运和主动转运。被动转为简单、促进扩散；主动转运根据是否消耗代谢能分为扩散，又称被动扩散。它不需要细胞膜提供能量和载体浓度差的推动下（其中，扩散速率与膜两侧的浓度差

【参考文献】