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連續(xù)發(fā)酵抑制作用的混雜系統(tǒng)、穩(wěn)定性及魯棒辨識(shí)

發(fā)布時(shí)間:2020-08-12 04:42
【摘要】:本文以微生物歧化甘油連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇為研究背景,在一個(gè)涉及胞內(nèi)和胞外物質(zhì)酶催化反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上,考慮關(guān)鍵中間代謝物抑制機(jī)制不明確的問(wèn)題,提出了一個(gè)改進(jìn)的混雜系統(tǒng)模型。在生物魯棒性的依據(jù)下,本文對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和涉及的不明確抑制機(jī)理進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。同時(shí),還分析了酶催化動(dòng)力學(xué)模型的穩(wěn)定性問(wèn)題。本課題的研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金、“973計(jì)劃”以及“863計(jì)劃”的項(xiàng)目資助。此項(xiàng)課題的研究,不僅能夠豐富非線性混雜動(dòng)力系統(tǒng)與計(jì)算生物學(xué)的理論知識(shí),而且可為1,3-丙二醇的工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐提供參考,本文研究成果可概括如下:1.針對(duì)微生物代謝還原路徑細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外物質(zhì)的八維動(dòng)力系統(tǒng)模型,考慮該非線性動(dòng)力系統(tǒng)的平衡點(diǎn)計(jì)算和穩(wěn)定性分析問(wèn)題。首先對(duì)八維非線性穩(wěn)態(tài)方程進(jìn)行解耦和消元,把復(fù)雜非線性方程組的零點(diǎn)計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)僅含單一變量的有理方程求根問(wèn)題,然后通過(guò)符號(hào)化實(shí)根隔離法求解該有理方程的全部實(shí)根,從而得到了八維非線性系統(tǒng)的所有穩(wěn)態(tài),進(jìn)而利用李雅普諾夫方法估計(jì)了平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性,從數(shù)值上驗(yàn)證了甘油的微生物岐化過(guò)程中所出現(xiàn)的多態(tài)現(xiàn)象。2.綜合考慮細(xì)胞外底物消耗、產(chǎn)物生成和細(xì)胞內(nèi)的代謝反應(yīng)過(guò)程、胞內(nèi)胞外兩種代謝環(huán)境之間,底物甘油和產(chǎn)物1,3-丙二醇的跨膜運(yùn)輸過(guò)程,以及胞內(nèi)代謝反應(yīng)的中間產(chǎn)物三羥基丙醛對(duì)兩種關(guān)鍵酶—甘油脫水酶和1,3-丙二醇氧化還原酶的抑制作用,建立了一個(gè)非線性混雜動(dòng)力系統(tǒng)模型,分析推導(dǎo)了系統(tǒng)解的存在唯一性,解關(guān)于參數(shù)的連續(xù)性以及解集的緊性。3.由于胞內(nèi)數(shù)據(jù)缺乏,針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳統(tǒng)的辨識(shí)方法對(duì)此類問(wèn)題不再行之有效的問(wèn)題,本文從生物系統(tǒng)的一個(gè)基本特性——生物魯棒性出發(fā),提出了一個(gè)生物魯棒性的定量指標(biāo),以生物魯棒性為性能指標(biāo),以非線性混雜系統(tǒng)為約束,建立起參數(shù)辨識(shí)模型,證明了該模型的可辨識(shí)性,并通過(guò)離散化的技術(shù),構(gòu)造數(shù)值算法,推斷出三羥基丙醛的抑制作用區(qū)域,并同時(shí)辨識(shí)出相應(yīng)系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】:大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2018
【分類號(hào)】:O19
【圖文】:

示意圖,丙二醇,化學(xué)結(jié)構(gòu),示意圖


、邐逡逑凍劑等一些化工生產(chǎn)領(lǐng)域,尤其值得一提的是,研究結(jié)果顯示由1,3-PD和對(duì)笨二甲逡逑(簡(jiǎn)記TPA)合成的聚三甲基對(duì)笨二甲酸酯(簡(jiǎn)記PTT)的性質(zhì)非常好,PTT是一種逡逑別具有工業(yè)化前景的醇類發(fā)酵產(chǎn)物[16,17]。逡逑目前,世界上生產(chǎn)1,3-PD的方法主要是化學(xué)合成法,如為大家廣為熟知的荷蘭的逡逑hell公司、德國(guó)的Degussa公司,他們都是在用這種化學(xué)合成法生產(chǎn)1,3-PD。化學(xué)合逡逑這種方法的生產(chǎn)條件常常是需要高溫高壓,生產(chǎn)過(guò)程要在昂貴的催化劑作用下進(jìn)行,逡逑且產(chǎn)物又常常是1,3-PD和其他一些與1,3-PD性質(zhì)相似的副產(chǎn)物的混合物,這就使得逡逑產(chǎn)中要有對(duì)產(chǎn)物分離這一步驟。根據(jù)產(chǎn)物的特點(diǎn),人們發(fā)現(xiàn)對(duì)這個(gè)產(chǎn)物的分離、純化逡逑求比較高的技術(shù)手段,操作起來(lái)比較困難,造成1,3-PD的生產(chǎn)成本隨著提純難度增逡逑而提高,這將對(duì)其下游產(chǎn)品PTT的價(jià)格帶來(lái)直接的影響,不僅于此,化學(xué)合成生產(chǎn)逡逑,3-PD這種方法還污染環(huán)境。正是因?yàn)檫@些缺點(diǎn),科研人員試圖去尋找一種新方法代替逡逑學(xué)合成法,以便克服化學(xué)合成法生產(chǎn)1,3-PD中存在的諸多問(wèn)題,微生物發(fā)酵法就是逡逑樣的一種新方法。逡逑

雙平衡,平衡點(diǎn),生物量,情形


Fig.邋3.1邋The邋existence邋of邋double邋equilibria邋of邋the邋biomass邋uder邋the邋condition逡逑D邋=邋0.1邋and邋cs0邋e邋[350,1725],and邋the邋change邋of邋equilibria邋with邋c?0邋varied逡逑從圖3.1中可以看出,發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中,當(dāng)操作條件£^e[350,1750]時(shí),胞外逡逑物質(zhì)菌種的濃度呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。逡逑9i邐1邐邐邐邐邐1邐.邐.邐逡逑8邋-邋 ̄邋-逡逑7邐 ̄邐邐邐邐邋.一——邐邐—...一逡逑6邐?邐-逡逑S邐5'邐'逡逑x"-邐4邐-邐-逡逑3邐?邐-逡逑2邐-邐-逡逑1邋.邐邐邐^ **^*""*^ ̄*邋一邋"I逡逑邐—邐邐 ̄ ̄ ̄逡逑1700邐1750邐1800邐1850邐1900邐1950邐2000邐2050逡逑c^Cmmol/L)逡逑圖3.邋2邋D邋=邋0.1,cs()邋#郟保罰玻叮嗑玻埃擔(dān)埃萏跫鋿攏噤

本文編號(hào):2790065

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