甘油連續(xù)生物歧化過(guò)程的參數(shù)辨識(shí)

韓 寧，徐恭賢

（渤海大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甘油生物歧化為1,3-丙二醇過(guò)程的數(shù)學(xué)建模、參數(shù)辨識(shí)、優(yōu)化與控制等問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，取得了一些成果［1?12］.例如，Yuan等［2］應(yīng)用并行優(yōu)化算法研究甘油間歇時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒最優(yōu)控制問(wèn)題；Niu等［3］研究了一類流加微生物非線性切換系統(tǒng)的最優(yōu)控制；Xu等［7?11］研究了甘油歧化為1,3-丙二醇過(guò)程的優(yōu)化與控制；Xiu等［4］給出了甘油連續(xù)生物歧化過(guò)程的過(guò)量動(dòng)力學(xué)模型；王宗濤［5］研究了連續(xù)和間歇微生物發(fā)酵動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)與優(yōu)化，但在建立微生物連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型中，該文獻(xiàn)未考慮底物比消耗速率和各產(chǎn)物比生成速率的非負(fù)約束要求.為此，本文構(gòu)建了包含底物比消耗速率和各產(chǎn)物比生成速率非負(fù)約束的參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型，并與已有文獻(xiàn)進(jìn)行了結(jié)果分析與比較.

1 甘油連續(xù)生物歧化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

基于文獻(xiàn)［4］，甘油連續(xù)生物歧化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可表示為：

其中，X ∈ R5，p ∈ R16，X1為生物量，g/L；D為稀釋速率，h?1；X20、X2分別為進(jìn)料和反應(yīng)器中的底物（甘油）濃度，mmol/L；X3、X4、X5分別為1,3-丙二醇、乙酸和乙醇的濃度，mmol/L；t為發(fā)酵時(shí)間，h；μ、qS、qPD、qHAc、qEtOH分別為細(xì)胞比生長(zhǎng)速率、底物比消耗速率、產(chǎn)物1,3-丙二醇、乙酸和乙醇的比生成速率，mmol/（g?h），其動(dòng)力學(xué)方程式為：

式中參數(shù)pk（k=1，2，…，16）的意義參見(jiàn)文獻(xiàn)［4］.

2 參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型

為了辨識(shí)qS、qPD、qHAc、qEtOHk中參數(shù)p（k=1，2，…，16）的最優(yōu)值，基于n次實(shí)驗(yàn)測(cè)量值i=1，2，…，5，j=1，2，…，n），建立如下使模型計(jì)算值（i=1，2，…，5，j=1，2，…，n）與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差最小的參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型（記為POM）：

3 參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

取文獻(xiàn)［6］中21組穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件求解非線性參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化問(wèn)題POM，最優(yōu)參數(shù)辨識(shí)計(jì)算結(jié)果如表1所示.表2給出了與已有文獻(xiàn)的結(jié)果比較，其中誤差函數(shù)e的數(shù)學(xué)定義由式（11）所示.

表1 最優(yōu)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

表2 誤差比較

從表2中可見(jiàn)，本文計(jì)算產(chǎn)生的濃度誤差要小于已有文獻(xiàn)［4］與［5］的計(jì)算誤差.圖1給出了甘油與1,3-丙二醇中的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較，圖中 “?” 代表實(shí)驗(yàn)值； “°” 代表本文計(jì)算值， “+” 代表文獻(xiàn)［4］的計(jì)算值， “” 代表文獻(xiàn)［5］的計(jì)算值.

4 結(jié)論

本文研究了甘油連續(xù)生物歧化過(guò)程的參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題.基于生物過(guò)程的特點(diǎn)，構(gòu)建了參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型.該優(yōu)化模型考慮了底物比消耗速率和產(chǎn)物比生成速率的非負(fù)約束要求.與已有文獻(xiàn)［4］與［5］相比，本文構(gòu)建的優(yōu)化模型及其計(jì)算結(jié)果可以獲得更小的濃度誤差值.