微生物發(fā)酵中幾類(lèi)問(wèn)題的建模、優(yōu)化和最優(yōu)控制.pdf

1、1，3-丙二醇是一種重要的化工原料.近幾年，微生物發(fā)酵法生產(chǎn)1，3-丙二醇受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，本文以克雷伯氏桿菌歧化甘油生產(chǎn)1，3-丙二醇為研究背景，研究了該發(fā)酵過(guò)程中幾類(lèi)問(wèn)題的建模、優(yōu)化和最優(yōu)控制.該項(xiàng)研究，一方面可以豐富非線性動(dòng)力系統(tǒng)、最優(yōu)控制、雙層規(guī)劃以及優(yōu)化理論與算法的研究；另一方面可以為1，3-丙二醇的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考.因此，該項(xiàng)研究具有一定的理論意義與應(yīng)用價(jià)值.另外，該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“97

2、3計(jì)劃”及“863計(jì)劃”項(xiàng)目的資助.本論文研究的內(nèi)容與取得的主要結(jié)果可概括如下： 1.針對(duì)間歇發(fā)酵中微生物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，以底物和多產(chǎn)物對(duì)微生物生長(zhǎng)的綜合抑制力作為控制函數(shù)，建立了含有控制和參數(shù)的非線性動(dòng)力系統(tǒng)描述該過(guò)程，并證明了該系統(tǒng)的主要性質(zhì).以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算值之間誤差平方和最小為性能指標(biāo)，以上述含控制和參數(shù)的非線性動(dòng)力系統(tǒng)為約束條件，建立了系統(tǒng)辨識(shí)模型.該系統(tǒng)辨識(shí)模型為一個(gè)最優(yōu)控制問(wèn)題，它的直接求解很困難.根據(jù)微生物生長(zhǎng)特點(diǎn)，

3、我們采用離散化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，并構(gòu)造了改進(jìn)的粒子群算法求得系統(tǒng)辨識(shí)模型的一個(gè)較滿意的解.數(shù)值結(jié)果表明：該算法具有較好的收斂性，并且實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值和計(jì)算值之間的誤差比已有文獻(xiàn)降低了6到16個(gè)百分點(diǎn)。 2.根據(jù)批式流加實(shí)際發(fā)酵過(guò)程，將甘油和堿的注入看作一個(gè)連續(xù)過(guò)程而不是脈沖形式，首次提出了一個(gè)非線性多階段動(dòng)力系統(tǒng)描述該過(guò)程.此外，為了確定系統(tǒng)中的參數(shù)值，建立了參數(shù)辨識(shí)模型，證明了參數(shù)的可辨識(shí)性，并構(gòu)造改進(jìn)的單純形法求得最

4、優(yōu)參數(shù).數(shù)值結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值和計(jì)算值之間的誤差比已有文獻(xiàn)降低了1.16到40.97個(gè)百分點(diǎn)，因而，辨識(shí)后的多階段動(dòng)力系統(tǒng)能更好地描述批式流加發(fā)酵過(guò)程.在批式流加發(fā)酵中，甘油和堿的合理注入速度是提高1，3-丙二醇生產(chǎn)強(qiáng)度的關(guān)鍵.因而，將流加速度看成一個(gè)隨時(shí)間變化的控制函數(shù)，建立了含控制的非線性多階段動(dòng)力系統(tǒng)，并證明了該系統(tǒng)的一些主要性質(zhì).以終端時(shí)刻1，3-丙二醇的生產(chǎn)強(qiáng)度最大為性能指標(biāo)，以上述含控制的多階段動(dòng)力系統(tǒng)和連續(xù)狀態(tài)不等式約束為

5、約束條件，建立了多階段最優(yōu)控制模型.最后利用不可微優(yōu)化理論得到了最優(yōu)控制問(wèn)題的最優(yōu)性條件，并證明了最優(yōu)性條件和最優(yōu)性函數(shù)零點(diǎn)的等價(jià)性。 3.通量平衡分析是代謝網(wǎng)絡(luò)分析中一個(gè)非常有效的工具，它能夠預(yù)測(cè)細(xì)胞內(nèi)的通量分布，然而準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)依賴于合理的目標(biāo)函數(shù).基于代謝網(wǎng)絡(luò)，首次提出了一個(gè)非線性雙層規(guī)劃模型推斷厭氧條件下克雷伯氏桿菌歧化甘油生產(chǎn)1，3-丙二醇的代謝目標(biāo)函數(shù)，利用K-K-T最優(yōu)性條件將上述雙層規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶有互補(bǔ)松弛條