發(fā)布時(shí)間：2020-07-08 05:37

【摘要】：本文以微生物（克雷伯氏桿菌）在厭氧條件下歧化甘油生產(chǎn)1.3-丙二醇（1.3-PD）的間歇發(fā)酵過程為背景，針對胞外甘油和胞內(nèi)1.3-PD的跨膜運(yùn)輸方式機(jī)理不清和3-羥基丙醛（3-HPA）對微生物、底物甘油和胞外產(chǎn)物（1.3-PD、乙酸和乙醇）的抑制不明等問題，分別建立相應(yīng)的非線性混雜動(dòng)力S系統(tǒng)。然后，以胞外物質(zhì)濃度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的最小二乘誤差為性能指標(biāo)，建立非線性混雜動(dòng)力S系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)模型。最后，利用慣性權(quán)重線性遞減的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法對該辨識(shí)模型求解，以分析和推斷甘油和1.3-PD最有可能的跨膜運(yùn)輸方式組合及3-HPA對微生物、底物甘油和胞外產(chǎn)物（1.3-PD、乙酸和乙醇）是否具有抑制作用。 研究一方面豐富和發(fā)展了非線性混雜系統(tǒng)、S系統(tǒng)和系統(tǒng)辨識(shí)等理論；另一方面，為深入理解克雷伯氏桿菌發(fā)酵過程中的胞內(nèi)代謝途徑提供了數(shù)值參考，進(jìn)而為1.3-丙二醇的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。因此，該研究項(xiàng)目具有一定的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。本論文的研究內(nèi)容與取得的主要成果可概括如下： （1）首先，在3-HPA對菌種、底物和胞外產(chǎn)物沒有抑制作用的前提下，基于甘油微生物歧化過程還原途徑酶催化S系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)甘油和1.3-PD可能存在的9種跨膜運(yùn)輸方式組合，建立相應(yīng)的非線性混雜動(dòng)力S系統(tǒng)，并證明該系統(tǒng)速度矢函數(shù)的Lipschitz連續(xù)性及線性增長性、系統(tǒng)解的存在唯一性和解關(guān)于參數(shù)的連續(xù)可微性等性質(zhì)。其次，以胞外物質(zhì)濃度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的平均相對誤差為性能指標(biāo)，以非線性混雜動(dòng)力S系統(tǒng)為約束條件，建立關(guān)于離散變量和連續(xù)變量的混雜動(dòng)力S系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型，并證明該模型的可辨識(shí)性。最后，利用慣性權(quán)重線性遞減的改進(jìn)粒子群算法對該辨識(shí)模型進(jìn)行求解，推斷出甘油和1.3-PD最有可能的跨膜運(yùn)輸方式均是主被動(dòng)運(yùn)輸相結(jié)合，并且胞外物質(zhì)濃度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的平均相對誤差下降了2%-3%，說明該模型較好地模擬了間歇發(fā)酵過程。 （2）基于上述甘油和1.3-丙二醇的跨膜運(yùn)輸方式均是主被動(dòng)運(yùn)輸相結(jié)合時(shí)的S系統(tǒng)模型，建立包含3種情形的非線性混雜動(dòng)力S系統(tǒng)及其參數(shù)辨識(shí)模型，分析3-HPA對微生物、底物甘油和胞外產(chǎn)物（1.3-PD、乙酸和乙醇）的抑制影響。然后，利用慣性權(quán)重線性遞減的改進(jìn)粒子群算法對該辨識(shí)模型進(jìn)行求解，依目標(biāo)函數(shù)最小值，推斷出3-HPA對微生物、底物甘油和主要產(chǎn)物胞外1.3-PD，乙酸和乙醇均具有抑制影響。 （3）在模型的分析過程中，對于含有離散變量和連續(xù)變量的參數(shù)辨識(shí)模型的難辨識(shí)性，利用兩類變量的相互獨(dú)立性將其分解為關(guān)于離散變量的子辨識(shí)模型和連續(xù)變量的子辨識(shí)模型進(jìn)行求解。同時(shí)由于非線性混雜動(dòng)力S系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性性，目前為止無法有效獲取關(guān)于參量的解析解，因此本文采取常微分方程數(shù)值解的方法，并利用C++語言編程，Matlab畫圖軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取該辨識(shí)問題較滿意的數(shù)值解，從而確定最合理的系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：遼寧科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O175;N945.14
【圖文】：

圖 2.2 微生物厭氧歧化甘油生產(chǎn) 1.3-PD 的代謝路徑圖 pathways diagram for microbial anaerobic culture of glycerol bio-c1.3-PD運(yùn)輸胞的正常功能，必須控制離子和分子在細(xì)胞和環(huán)境之性透過介質(zhì)和細(xì)胞中組分，保障對基本營養(yǎng)物質(zhì)的攝取子濃度的調(diào)節(jié)，從而使細(xì)胞的胞內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定。因胞的生長至關(guān)重要，選自文獻(xiàn)[50]。運(yùn)輸以濃度差為標(biāo)準(zhǔn)分為被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。被動(dòng)轉(zhuǎn)為簡單、促進(jìn)擴(kuò)散；主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)根據(jù)是否消耗代謝能分為擴(kuò)散，又稱被動(dòng)擴(kuò)散。它不需要細(xì)胞膜提供能量和載體濃度差的推動(dòng)下（其中，擴(kuò)散速率與膜兩側(cè)的濃度差

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 宮召華;馮恩民;修志龍;;微生物間歇發(fā)酵比生長速率辨識(shí)及優(yōu)化算法[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);2009年04期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李曉芳;微生物發(fā)酵中非線性時(shí)滯系統(tǒng)的分支及S系統(tǒng)辨識(shí)[D];大連理工大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2746158