[發(fā)明專利]葡萄糖酸鈉發(fā)酵工業(yè)裝置模型的建模方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611070692.2
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106778055A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 顏學峰;王鑫超;莊英萍;郭美錦;錢江潮
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G06F19/12
• 分類號: G06F19/12
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 龔敏

1.一種葡萄糖酸鈉發(fā)酵工業(yè)裝置模型的建模方法，其特點是：

(1)根據(jù)黑曲霉發(fā)酵工藝生產(chǎn)葡萄糖酸鈉的已有機理信息，建立如下發(fā)酵過程的化學計量反應方程組：

$S+X\stackrel{r_1}{\→}X,$

$C+S+X\stackrel{r_2}{\→}{H}_{2}O+{\mathrm{CO}}_2,$

$C+S+X\stackrel{r_3}{\→}P,$

其中，

r₁、r₂、r₃分別為菌體生長、菌體代謝和產(chǎn)物生成的反應速率；

X代表菌體濃度，S代表底物濃度，即葡萄糖濃度；P代表產(chǎn)物濃度，即葡萄糖酸鈉濃度，單位都為g/L，C代表溶氧相對于飽和氧濃度的百分比，單位％；

(2)基于酶反應動力學的冪級數(shù)結構，對每個反應速率進行建模：

$r_1=S^{k_1}*X^{k_2},$

$r_2=S^{k_3}*C^{k_4}*X^{k_5},$

$r_3=S^{k_6}*C^{k_7}*X^{k_8},$

其中，

k_i(i＝1～8)為各反應對應的速率常數(shù)；

(3)結合化學計量反應方程組和速率方程，建立狀態(tài)方程組：

$\frac{dZ}{dt}=Kr,$

$\frac{dC}{dt}=C\left(t\right),$

其中，

Z^T＝[X,P,S]^T。

r^T＝[r₁,r₂,r₃]^T。

K代表了得率系數(shù)矢量，

$K=\left[\begin{array}{ccc}{k}_9& -k_{10}& -k_{11}\\ 0& 0& k_{12}\\ -k_{13}& -k_{14}& -k_{15}\end{array}\right]$

C(t)在這里暫時使用關于時間t的2次擬合來描述溶氧。

(4)直接基于工業(yè)裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)，尋優(yōu)求得該模型的回歸系數(shù)，實現(xiàn)建立能良好描述工業(yè)裝置特性的模型；具體步驟如下：

步驟一，采集工業(yè)裝置生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，形成樣本數(shù)據(jù)。設采集了n組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括[X,P,S,C,t]；

步驟二，確定模型的擬合精度ε，0＜ε＜1；

步驟三，確定回歸系數(shù)k的初始值，建立初始葡萄糖酸鈉發(fā)酵工業(yè)裝置模型；

步驟四，判斷模型是否達到精度要求；具體步驟如下，計算總誤差

$Min={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{\mathrm{RE}}_i,$

${\mathrm{RE}}_i=\frac{1}{n}{\Σ}_{j=1}^n\left|\frac{y_{i\_pred}-y_{i\_\exp }}{y_{i\_\exp }}\right|,---\left(4\right)$

步驟五，判斷總誤差Min≤ε，或已停止收斂；若是，則辯識結束，求得回歸系數(shù)k，建立葡萄糖酸鈉發(fā)酵工業(yè)裝置模型；否則，轉到步驟六；

步驟六，通過遺傳算法對回歸系數(shù)k進行調(diào)整搜索，獲得新的回歸系數(shù)k，回到步驟四。