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《大连理工大学》 2009年
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微生物发酵中几类问题的建模、优化和最优控制

宫召华  
【摘要】: 1,3—丙二醇是一种重要的化工原料。近几年,微生物发酵法生产1,3—丙二醇受到国内外学者的广泛关注。本文以克雷伯氏杆菌歧化甘油生产1,3—丙二醇为研究背景,研究了该发酵过程中几类问题的建模、优化和最优控制。该项研究,一方面可以丰富非线性动力系统、最优控制、双层规划以及优化理论与算法的研究:另一方面可以为1,3—丙二醇的大规模产业化生产提供理论参考。因此,该项研究具有一定的理论意义与应用价值。另外,该项研究得到国家自然科学基金项目、“973计划”及“863计划”项目的资助。本论文研究的内容与取得的主要结果可概括如下: 1.针对间歇发酵中微生物的生长特点,以底物和多产物对微生物生长的综合抑制力作为控制函数,建立了含有控制和参数的非线性动力系统描述该过程,并证明了该系统的主要性质。以实验数据和计算值之间误差平方和最小为性能指标,以上述含控制和参数的非线性动力系统为约束条件,建立了系统辨识模型。该系统辨识模型为一个最优控制问题,它的直接求解很困难。根据微生物生长特点,我们采用离散化技术将其转化为一个参数辨识问题,并构造了改进的粒子群算法求得系统辨识模型的一个较满意的解。数值结果表明:该算法具有较好的收敛性,并且实验观测值和计算值之间的误差比已有文献降低了6到16个百分点。 2.根据批式流加实际发酵过程,将甘油和碱的注入看作一个连续过程而不是脉冲形式,首次提出了一个非线性多阶段动力系统描述该过程。此外,为了确定系统中的参数值,建立了参数辨识模型,证明了参数的可辨识性,并构造改进的单纯形法求得最优参数。数值结果表明实验观测值和计算值之间的误差比已有文献降低了1.16到40.97个百分点,因而,辨识后的多阶段动力系统能更好地描述批式流加发酵过程。在批式流加发酵中,甘油和碱的合理注入速度是提高1,3—丙二醇生产强度的关键。因而,将流加速度看成一个随时间变化的控制函数,建立了含控制的非线性多阶段动力系统,并证明了该系统的一些主要性质。以终端时刻1,3—丙二醇的生产强度最大为性能指标,以上述含控制的多阶段动力系统和连续状态不等式约束为约束条件,建立了多阶段最优控制模型。最后利用不可微优化理论得到了最优控制问题的最优性条件,并证明了最优性条件和最优性函数零点的等价性。 3.通量平衡分析是代谢网络分析中一个非常有效的工具,它能够预测细胞内的通量分布,然而准确的预测依赖于合理的目标函数。基于代谢网络,首次提出了一个非线性双层规划模型推断厌氧条件下克雷伯氏杆菌歧化甘油生产1,3—丙二醇的代谢目标函数,利用K-K-T最优性条件将上述双层规划模型转化成一个带有互补松弛条件的非线性规划,证明了该双层规划最优解的存在性,构造了有效的算法来求解并分析了算法的收敛性。由于观测实验数据会存在一定的误差,所以研究上述所得目标函数关于允许实验误差的鲁棒性是非常必要的。因此,提出一组非线性双层规划模型来判断目标函数的鲁棒性。数值结果表明所得目标函数具有较好的鲁棒性。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TQ920.1

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
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中国硕士学位论文全文数据库 前7条
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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1 高彩霞;冯恩民;;一类以脉冲系统为约束最优控制问题的优化算法[A];中国运筹学会第八届学术交流会论文集[C];2006年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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6 刘重阳;非线性切换动力系统的最优控制及应用[D];大连理工大学;2010年
7 王诗云;一类微生物发酵系统的双测度与全局稳定性[D];大连理工大学;2011年
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9 王艳;多目标拟态物理学优化算法及其应用研究[D];兰州理工大学;2011年
10 孙在冠;不确定影响下的生产与库存最优控制研究[D];中国石油大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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2 李艳杰;非线性时滞脉冲动力系统的辨识、优化及应用[D];大连理工大学;2006年
3 谭冰;非线性海冰温度系统的热力学参数辨识和数值模拟[D];大连理工大学;2006年
4 叶剑雄;连续发酵非线性动力系统定性分析与参数辨识[D];大连理工大学;2008年
5 蔡荣河;甘油连续发酵酶催化动力系统的最优控制[D];大连理工大学;2009年
6 申丽娟;微生物发酵非线性脉冲系统的参数辨识与优化[D];大连理工大学;2006年
7 陈祥军;腺苷钴胺素合成酶基因cobs的克隆及在产1,3-丙二醇菌中的应用[D];江南大学;2010年
8 李博;粒子群优化算法及其在神经网络中的应用[D];大连理工大学;2005年
9 胡小平;近景数字摄影测量方法在工业上的应用研究[D];重庆大学;2005年
10 杨凯尧;精馏生产过程稳态建模及其优化[D];吉林大学;2006年
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