甘油间歇发酵酶催化——基因调控动力系统的参数辨识

摘要

K.pneumoniae菌间歇发酵甘油生产1，3-丙二醇的过程是一个复杂的生物化学反应过程，反应进行中伴随着3-羟基丙醛、乙酸、乙醇等物质的生成，同时细胞内的酶及基因也指导蛋白的合成，促进反应的进行。由于甘油脱水酶和1，3-丙二醇氧化还原酶是反应过程中两种重要的酶，能催化反应，故研究反应过程生成的酶与基因的浓度变化，能帮助我们更好的理解发酵过程，对于今后更加深入的研究多阶段模型以及最优控制模型起到积极的推进意义。本文研究了K.pneumoniae菌间歇发酵甘油生产1，3-丙二醇的14维的非线性酶催化-基因调控动力系统。为了能更好的研究发酵过程，我们建立了参数辨识模型，并对系统中的33个参数进行了辨识。对于转化过程的研究，可以控制物料的添加时间及浓度调节，因而，该项研究具有指导现实生产的意义，受到了中国国家青年自然科学基金的支持，973计划的支持，还有863项目的支持。本文的主要内容、研究成果如下:
　　1.将各个描述实际反应的动力学方程，抽象成了一个非线性的酶催化-基因调控动力系统，该系统中有33个参数。研究了动力系统的性质，并对这些性质进行了证明。
　　2.首先，对于胞外可测量的物质浓度，定义了测量数据与计算数据之间的误差。然后，对于胞内不可测量的物质浓度，给出了生物系统鲁棒性关于参数扰动的数学定义，将此特性用数学表达式定量的表达出来。最后，建立了一个不可微的优化问题，并证明了该优化问题解的性质。
　　3.对于上述优化问题，我们的目的是辨识动力系统中的参数，因而需要求解该优化问题。粒子群算法可用于求解不可微的优化问题，但由于该问题计算量较大，因而存在着运算时间长的弊端，由此提出了一个并行的粒子群优化算法进行求解。数值结果表明，这个优化算法是有效的并且此酶催化-基因调控动力系统有助于理解胞内物质的反应过程。