微生物發(fā)酵中幾類問題的建模、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)酵過程中幾類問題的建模、優(yōu)化和最優(yōu)控制.該項研究，一方面可以豐富非線性動力系統(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，該項研究具有一定的理論意義與應(yīng)用價值.另外，該項研究得到國家自然科學(xué)基金項目、“97

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

3、我們采用離散化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為一個參數(shù)辨識問題，并構(gòu)造了改進的粒子群算法求得系統(tǒng)辨識模型的一個較滿意的解.數(shù)值結(jié)果表明：該算法具有較好的收斂性，并且實驗觀測值和計算值之間的誤差比已有文獻降低了6到16個百分點。 2.根據(jù)批式流加實際發(fā)酵過程，將甘油和堿的注入看作一個連續(xù)過程而不是脈沖形式，首次提出了一個非線性多階段動力系統(tǒng)描述該過程.此外，為了確定系統(tǒng)中的參數(shù)值，建立了參數(shù)辨識模型，證明了參數(shù)的可辨識性，并構(gòu)造改進的單純形法求得最

4、優(yōu)參數(shù).數(shù)值結(jié)果表明實驗觀測值和計算值之間的誤差比已有文獻降低了1.16到40.97個百分點，因而，辨識后的多階段動力系統(tǒng)能更好地描述批式流加發(fā)酵過程.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)強度的關(guān)鍵.因而，將流加速度看成一個隨時間變化的控制函數(shù)，建立了含控制的非線性多階段動力系統(tǒng)，并證明了該系統(tǒng)的一些主要性質(zhì).以終端時刻1，3-丙二醇的生產(chǎn)強度最大為性能指標，以上述含控制的多階段動力系統(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)零點的等價性。 3.通量平衡分析是代謝網(wǎng)絡(luò)分析中一個非常有效的工具，它能夠預(yù)測細胞內(nèi)的通量分布，然而準確的預(yù)測依賴于合理的目標函數(shù).基于代謝網(wǎng)絡(luò)，首次提出了一個非線性雙層規(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)化成一個帶有互補松弛條