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微生物发酵非线性多阶段动力系统参数辨识

作　者: 张书喜
导　师: 李晓红
学　校: 辽宁科技大学
专　业: 运筹学与控制论
关键词: 微生物发酵非线性动力系统参数辨识粒子群算法
分类号: TQ923
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 30次
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内容摘要

在生化领域范围内，有很多关于“微生物菌种歧化底物甘油生产1,3-丙二醇”这个课题的研究，本文以此为背景，针对微生物发酵过程中的物质特征和发酵的动态行为，研究微生物培养过程中的非线性多阶段动力系统的参数辨识问题。本文通过改进间歇发酵和批式流加发酵两种过程中的动力学系统模型，降低了计算所得值和实验数据之间的相对误差。本文各模型中关于微生物、底物甘油和目标产物1,3-丙二醇的平均相对误差，都比对应参照文献中相应物质的平均相对误差有百分之二的降低幅度，这说明本文的动力学系统更适合描述微生物间歇培养和批式流加培养过程。本文进行的主要研究工作和取得的主要成果，总结如下：1．本文在已有间歇发酵模型基础上，考虑甘油和1,3-丙二醇在主被动结合的方式下跨膜运输，以发酵分段时刻为参数，建立了含胞内物质浓度的动力系统，证明了该动力系统的一些相关性质，系统解析解的存在唯一性和系统解析解对参数的可微性和连续依赖性。然后以实验数据和计算值之间的误差平方和最小为性能指标，建立参数辨识模型。最后，用粒子群算法去辨识相关的未知参数，用最优的辨识参数求得的计算值和实验值的平均相对误差降低了两个百分点。2．为了更加细致的模拟间歇过程，以发酵的开始时刻、辨识出的两个分段时刻和培养终止时刻为界限，建立了微生物间歇发酵三阶段非线性动力系统。首先讨论多阶段动力系统的相关性质，及其解析解的存在唯一性，在此基础上建立相应的参数辨识模型，最后用粒子群算法求解未知参数。3．建立了含有胞内物质的八维批式流加发酵非线性动力系统，讨论该系统的性质，然后以实验数据和计算数据之间的误差平方和为性能函数，建立参数辨识模型。最后按照解微分方程的Euler方法，利用改进的粒子群算法辨识参数，利用辨识出的参数，求出给定时刻的计算值，最终得到相关物质的相对误差，经计算其各物质的平均相对误差降低了三个百分点。本文考虑中间产物对微生物比生长速率的抑制作用和主被动运输结合的跨膜方式，建立了间歇发酵动力系统、分段动力系统和批式流加发酵非线性动力系统模型，其计算数据和实验数据之间的相对误差比已有文献都有所降低。

全文目录

中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1. 绪论  10-19
  1.1 研究背景和意义  10-11
  1.2 微生物发酵法的研究进展概述  11-14
    1.2.1 微生物的三种发酵方式  11-12
    1.2.2 微生物发酵法生产 1,3-PD 的研究进展  12-14
  1.3 研究模拟微生物发酵过程系统的数学方法  14-15
  1.4 系统生物学  15-17
  1.5 系统辨识  17-18
  1.6 本文的主要工作  18-19
2. 预备知识  19-29
  2.1 常微分方程定性理论  19-20
  2.2 智能优化算法  20-25
    2.2.1 粒子群优化算法的发展  21-22
    2.2.2 粒子群优化算法原理  22-24
    2.2.3 标准粒子群算法的流程  24-25
    2.2.4 粒子群算法的应用  25
  2.3 常用的几类生化反应速度函数  25-27
    2.3.1 酶催化反应速度函数  26
    2.3.2 细胞增长速度函数  26-27
    2.3.3 物质跨膜运输速度函数  27
  2.4 微生物厌氧发酵甘油代谢过程  27-29
3. 含有控制项的间歇发酵非线性动力系统参数辨识  29-38
  3.1 引言  29
  3.2 微生物连续发酵的模型介绍  29-31
  3.3 含控制项的微生物间歇发酵参数辨识模型  31-38
    3.3.1 动力系统相关性质及辨识模型  33-35
    3.3.2 带有惯性权重的改进粒子群算法及辨识结果  35-38
4. 间歇发酵分阶段动力系统参数辨识  38-45
  4.1 三阶段非线性动力系统  39-41
  4.2 非线性多阶段动力系统的性质  41
  4.3 非线性多阶段系统的参数辨识模型  41-45
5. 批式流加发酵过程动力学参数辨识  45-53
  5.1 引言  45-46
  5.2 批式流加发酵过程动力系统及性质  46-48
  5.3 批式流加过程多阶段参数辨识模型  48-53
    5.3.1 参数辨识模型  48
    5.3.2 优化算法和数值结果  48-53
6. 结论和展望  53-54
  6.1 主要研究工作和结论  53
  6.2 展望  53-54
参考文献  54-57
攻读学位期间发表的学术论文目录  57-58
致谢  58-59
作者简介  59-60

微生物发酵非线性多阶段动力系统参数辨识

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