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《大连理工大学》 2010年
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微生物发酵中非线性时滞系统的分支及S系统辨识

李晓芳  
【摘要】: 1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,近年来,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.本文以生物化工领域中的一个实际课题—甘油微生物歧化方法生产1:3-丙二醇的间歇和连续发酵—为背景,研究了发酵过程中两类非线性时滞动力系统的动力行为,以及两类非线性动力系统—S系统的性质和参数辨识问题.首先根据发酵过程的振荡现象与生物意义,分别引入了离散时滞和连续时滞,建立了非线性时滞动力系统,运用Hopf分支理论讨论了系统的振荡行为.其次根据发酵过程的特性和动态行为,分别建立符合各自特性的非线性动力系统—S系统,论述了S系统的主要性质并对其中的参数进行了辨识.本课题受到国家自然科学基金、“973计划”及“863计划”项目的资助.该项研究,一方面可以丰富非线性时滞动力系统、S系统理论与算法的研究,另一方面可以为1,3-丙二醇的大规模产业化生产提供参考,因此具有一定的理论意义与应用价值.本论文研究的内容与取得的主要成果可概括如下: 1.已有的工作主要研究单底物单产物的三维理想模型,而在微生物连续发酵实验中产物不止一个.本文考虑产物乙酸和乙醇对微生物生长的抑制作用,以及微生物对底物的消耗和分泌产物的能力主要由前一时刻的底物和产物浓度决定,因此在细胞比生长速率中引入离散时滞,提出了一个五维离散时滞动力系统.以时滞为参数,讨论了时滞对系统的正平衡点渐近稳定性的影响及Hopf分支的存在性.运用泛函微分方程的Hopf分支理论,在稀释速率恒定的条件下,数值模拟了分支值随进料浓度的变化曲线.运用规范形理论和中心流形定理,给出了判断Hopf分支方向和分支周期解稳定性的算法,并数值模拟了分支周期解与相图. 2.考虑产物乙酸和乙醇对微生物生长的抑制作用,和细胞透过细胞膜摄取底物和分泌产物的传递过程并不是实时的,因此将细胞比生长速率看成过去一段时间比生长速率的加权,通过引入强核连续时滞,提出了一个五维连续时滞动力系统.以平均时滞的倒数为参数,讨论了平均时滞对系统正平衡点的局部稳定性的影响.运用Hopf分支的代数判据,给出了存在Hopf分支的操作参数区域.运用Hopf分支定理,给出了判断Hopf分支方向和分支周期解稳定性的计算方法,并数值模拟了分支周期解及相图.最后讨论了模型的过渡行为. 3.根据间歇发酵过程的特性及动态行为,首次提出了一种特殊的S系统,证明了系统解的存在惟一性以及解对参数的连续依赖性.此外,为了确定系统中的参数值,以实验观测数据和计算值的归一化最小二乘误差为性能指标,以上述间歇发酵S系统为约束条件,建立了参数辨识模型,证明了辨识问题解的存在性,并构造求解参数辨识问题的优化算法.数值结果表明实验观测值和计算值之间的平均相对误差由已有文献的26.13%下降到13.95%,降低了12.18个百分点,说明S系统能更好地描述间歇发酵过程.另外,建立了连续发酵过程的S系统及其参数辨识模型.经数值计算,收到良好效果.最后建立了以稀释速率D和进料浓度CSO为控制变量,以终端时刻1,3-丙二醇的最大体积产率为性能指标,以描述连续发酵过程的S系统为约束的终端稳态优化模型,并求得实际问题的稳态最优解.优化结果显示终端时刻产物1,3-丙二醇的最大体积产率由114.3 mmolL-1h-1提高到124.911 mmolL-1h-1,该结论可为将来1,3-丙二醇的大规模生产实践提供参考.
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O19

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 罗明宝;S系统在化工中的应用研究[D];大连理工大学;2012年
【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 胡海岩;王在华;;时滞受控系统动力学研究进展[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
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8 高彩霞;王宗涛;冯恩民;修志龙;;间歇发酵过程的非线性动力系统辨识及最优控制[A];中国运筹学会第七届学术交流会论文集(下卷)[C];2004年
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10 李晓红;冯恩民;修志龙;;微生物连续培养过程的多目标最优控制[A];第四届全国决策科学/多目标决策研讨会论文集[C];2007年
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2 孟晓玲;几类系统的几乎全局稳定性[D];郑州大学;2010年
3 刘文辉;时滞系统的输入—状态稳定性[D];郑州大学;2010年
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【同被引文献】
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2 汤吉海;殷继勇;乔旭;崔咪芬;张进平;;传质与反应耦合的乙烯氧化反应器模型与分析[J];化学工程;2007年02期
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【二级参考文献】
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4 郭金花;具有时滞状态反馈的延迟动力系统的稳定性与分岔[D];北方工业大学;2009年
5 梁全义;分布时滞动力系统的双Hopf分岔分析[D];郑州大学;2013年
6 刘珍珍;时滞Ikeda模型和van der Pol-Duffing振子的非共振双Hopf分岔[D];郑州大学;2009年
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9 杨俊平;时滞网络拥塞控制系统的稳定性及Hopf分岔研究[D];郑州大学;2008年
10 王淑平;带时滞弹性机器人模型的控制问题[D];天津大学;2008年
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