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1,3-丙二醇三种跨膜运输方式的混杂动力系统的鲁棒性和辨识

作　者: 李沛毅
导　师: 冯恩民
学　校: 大连理工大学
专　业: 运筹学与控制论
关键词: 连续发酵混杂非线性动力系统鲁棒性分析系统辨识跨膜运输方式
分类号: TQ920.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文以微生物(克雷伯氏杆菌)歧化甘油生产1,3-丙二醇(1,3-PD)的间歇发酵到连续发酵过程为背景,在微生物的比生长速率不受三羟基丙醛(3-PHA)的抑制和甘油的跨膜运输方式为主被动结合运输的前提下,根据1,3-丙二醇可能存在的三种跨膜运输方式建立了相应的动力学模型及混杂非线性动力系统,同时研究了系统的基本性质。根据定量的鲁棒性分析建立混杂非线性动力系统辨识模型,并构造了相应的数值优化算法,通过计算求解辨识问题,进而对1.3-PD的跨膜运输方式进行分析和推断。本课题受到国家“十五”科技攻关计划项目”发酵工程生产1,3-丙二醇”(编号为2001BA708B01-04)和国家高技术研究发展计划(863计划)”生物柴油与1.3-丙二醇的联产工艺”(编号为2007AA02Z208)的资助。此项研究将为实现1,3-丙二醇的产业化生产提供参考,因此,该项目研究具有重要的应用价值和理论意义。本论文的研究内容与所得的主要结果可概括如下：1.本文基于甘油微生物发酵过程还原途径动力学模型,不考虑三羟基丙醛(3-HPA)对菌种生长的抑制作用,假设甘油的跨膜运输方式为主被动结合运输,以此来推断1,3-PD的跨膜运输方式。根据1,3-PD存在的不同跨膜运输方式(主动运输、被动运输、主被动结合运输),建立相应的混杂非线性动力系统,并证明动力系统解的存在唯一性以及解关于参量的连续性和可微性。提出了生物系统鲁棒性的定义,并对每个系统进行鲁棒性分析。建立了混杂非线性动力系统辨识模型,证明了该模型的可辨识性。2.甘油间歇发酵到连续发酵生产1,3-PD的混杂非线性动力系统辨识问题的数值计算。本文采用求常微分方程数值解的方法,依均匀分布从参量允许域中随机产生大量的参量样本。通过数值模拟计算推断出了1,3-丙二醇合理的跨膜运输方式。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 微生物发酵法研究进展及方式概述  9-11
    1.1.1 微生物发酵生产1,3-丙二醇的研究概况  9-10
    1.1.2 微生物发酵生产1,3-丙二醇的方式概述  10-11
  1.2 生物鲁棒性的研究现状  11-13
  1.3 微生物发酵中的数学方法  13
  1.4 本文的主要工作  13-15
第二章预备知识  15-27
  2.1 混杂非线性动力系统  15-18
    2.1.1 混杂非线性动力系统的研究进展  15-16
    2.1.2 混杂非线性动力系统的实例模型  16-18
  2.2 常微分方程的定性理论  18-19
  2.3 甘油生物发酵过程的动力学模型  19-22
    2.3.1 甘油消耗动力学模型  19-20
    2.3.2 产物形成动力学模型  20-21
    2.3.3 微生物比生长动力学模型  21-22
  2.4 甘油发酵过程的胞内代谢机理  22
  2.5 甘油发酵过程胞内动力学模型  22-27
    2.5.1 甘油跨膜运输动力学模型  23-24
    2.5.2 胞内1,3-丙二醇(1,3-PD)动力学模型  24
    2.5.3 胞内3—羟基丙醛(3-HPA)动力学模型  24-25
    2.5.4 甘油发酵过程胞内动力学模型  25-27
第三章 1,3-PD三种跨膜运输方式的混杂非线性动力系统的鲁棒性和辨识  27-41
  3.1 引言  27-28
  3.2 混杂非线性动力系统  28-32
  3.3 混杂非线性动力系统的性质  32-35
  3.4 混杂非线性动力系统的鲁棒性指标  35-37
  3.5 基于鲁棒性指标的系统辨识  37-39
  3.6 鲁棒性指标计算及1,3-PD跨膜运输方式推断  39-40
  3.7 本章小结  40-41
结论与展望  41-43
参考文献  43-47
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  47
攻读硕士学位期间参与的科研项目  47-49
致谢  49-51

1,3-丙二醇三种跨膜运输方式的混杂动力系统的鲁棒性和辨识

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