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连续发酵非线性混杂系统的鲁棒性分析与并行优化

张誉铎  
【摘要】:本文以克雷伯氏杆菌歧化甘油生产1,3-丙二醇为背景,针对细胞内物质浓度无法测试以及代谢物质跨膜运输机理不清等问题,研究了一类非线性酶催化混杂系统的建模、鲁棒性分析、系统辨识及并行优化.本课题得到国家自然科学基金项目、“973计划”及“863计划”的资助.本文研究能够丰富与发展非线性混杂动力系统的理论、系统辨识以及并行优化算法的应用,同时对深入理解克雷伯氏杆菌歧化甘油生产1,3-丙二醇胞内代谢机理具有重要的参考价值.主要工作可概括如下: 1.克雷伯氏杆菌歧化甘油生产1,3-丙二醇的过程可视为是一个由生物通量、代谢物质、关键酶以及基因调节所组成的复杂网络.针对各种可能代谢机理下的微生物连续发酵过程,分别提出动力学参量与控制参量(初始甘油浓度和稀释速率)相互独立和非独立的两类非线性混杂动力系统.证明了混杂系统速率向量场的Lipschitz连续性、线性增长性、系统解的存在唯一性及解关于参量的连续依赖性. 2.针对复杂网络存在的不确定性因素,在无法测得细胞内物质浓度的情况下,基于生物系统的鲁棒性特征,提出三种关于细胞内生物鲁棒性的定量描述方法.分别建立了以鲁棒性为性能指标、相应的一组或多组非线性酶催化混杂系统为主要约束条件的两类参数辨识模型,并证明相应的辨识模型最优解的存在性. 3.由于辨识问题是非线性、不可微、含有隐式动态约束,且含有连续和离散两种变量,无法求得解析解.在数值计算的过程中需要大量求解微分方程组的数值解,其计算量在普通的PC机器上难以实现,因此构建了相应的并行优化算法以求得此类辨识问题的最优解,并分别给出了最有可能的代谢路径以及相应的最优参数.


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