微生物发酵过程的建模与优化控制研究

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1、Abstract摘要微生物发酵工程是生物技术的应用基础，是生物技术产业的核心。一次成功的发酵同时受到两方面因素的制约：一是生产菌种的遗传特性，二是发酵条件。保证微生物菌种在最适的发酵条件下大量生长并合成代谢产物，才能获得工业规模的最大生产效率。近几十年中，发酵工业发展迅速，规模越来越大，对发酵条件进行优化控制也变得越发重要。合适的数学模型是进行过程优化和控制的基础和前提条件，本文首先研究了发酵过程的建模，继而对过程的控制与优化进行了研究。在建模方面，研究了发酵过程的非结构模型和“黑箱一建模。针对发

2、酵过程非结构动力学模型参数众多难以确定的问题，利用量子粒子群优化算法进行参数寻优。通过对发酵过程的分析确定适当的模型结构，利用最小二乘支持向量机对发酵数据进行学习来建立．“黑箱’’模型。进一步考虑数据间的差异及模型复杂度，将仿射传播聚类引入建模中，先利用聚类算法对数据进行分类，对每一类作支持向量机回归，最后对子模型的输出进行加权融合。在诺西肽发酵过程的建模仿真中，该多模型建模方法具有更好的性能，能很好描述发酵过程的变量关系。．在优化控制方面，首先根据温度和pH值各自的特点，分别设计了模糊．PI双模

3、和基于误差平面的分区域控制。最后，在前面所建立的“黑箱’’模型基础上对过程进行仿真优化，通过量子粒子群算法寻优发酵过程中的操作条件，实现了提高产物浓度的目标。关键词：发酵过程建模量子粒子群优化最小二乘支持向量机仿射传播聚类优化控制AbstractFermentationengineeringistheapplicationfoundationofbiotechnology,andisthecoreoRhebiotechnologyindustry．Asuccessfulfermentationpr

4、ocesswasresU'i删bytwofactors：First,thegeneticcharacteristicsofthebacterium，andsecond,thefermentationconditions．Inre,centdecades，thefermentationindustryhasdevelopedrapidly,itsscalegrowlargerandlarger．Inordertoobtainthemaximumefficiencyofindustrialscale，

5、wemustensurethattheanimalculesgrowandsynthesizemetabolitesintheoptimalconditions．Sotheoptimizationcontroloffermentationconditionsbecomesmoreandmoreimportant．Anappropriatemathematicalmodelisthebasisandprerequisiteforprocesscontrolandoptimization,thispa

6、perfirststudiesthemoddingoffermentationprocess，andthentheprocesscontrolandoptimization．Inthemodeling,theunstructuredmodelandthe"blackbox竹modeloffermentationprocesswadstudied．Aimingatthedifficultyofparametersdetermine，quantum-behavedparticleswarmoptimi

7、zationwasusedforparameteroptimization．AnappropriatemodelstructureWaSselectedthroughtheanalysisofthefermentationprocess，andthensupportvectormachinewasappliedtolearningfermentationdatatocreatea’'blackbox”model．Furtherconsiderthedifferencebetweendataandm

8、odelcomplexdegree，theaffinitypropagationclusteringWaSintroducedintomodeling．FirstAPclusteringWaSusedfordataclassification，thenSVMwasusedtoregressforeachclass，atlast,outputsofsubmodelsweresyncrctizedtoformthefinaloutput．T11ismethodWasappliedint