一种基因调节非线性动力系统控制模型技术方案

本发明专利技术涉及一种基因调节非线性动力系统控制模型，所述控制模型设有时刻甘油微生物发酵控制参数，，建立了甘油生物歧化过程可描述为下面的酶催化和基因调控的非线性混杂动力系统。本发明专利技术建立了连续发酵的十四维的控制模型，以细胞外1,3-丙二醇的浓度为性能指标，通过控制模型计算，使系统的产量达到最大。

A nonlinear dynamic system control model for gene regulation

The invention relates to a gene regulating control model of nonlinear dynamic system, the control model with time of glycerol fermentation control parameters, established the biological glycerol disproportionation process can be described as a nonlinear enzyme and gene regulation following the hybrid power system. The fourteen dimensional control model of continuous fermentation is established in this paper. The concentration of extracellular 1,3- propanediol is taken as the performance index.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物工程
，具体涉及一种基因调节非线性动力系统控制模型。
技术介绍
自然界中存在能将甘油转化为1，3-PD的微生物，主要是几种细菌。如：Klebsiella,Citrobacters,Enterobacter和Clostridia等等，其中克雷伯氏杆菌（Klebsiellapneumoniae）和丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）具有较高的转化率和1,3-PD生产能力，因而受到更多的关注。但丁酸梭状芽孢杆菌要求严格的厌氧条件,而克雷伯氏杆菌属于兼性菌，其生化特性与大肠杆菌(E.coli)非常相近，这就为菌种的基因改良和利用基因工程构建新的菌种提供了便利，故其被广泛地用于研究甘油生物歧化生产1,3-丙二醇。虽然目前生产1,3-PD仍然以间歇发酵或者批式流加发酵为主流，但甘油通过克雷伯氏杆菌发酵生成1，3-PD由于其生产环境安全，原料成本低等优点而倍受关注，被寄予主要生产1,3-PD方式的厚望。甘油发酵来产生1,3-PD的方式主要分为三种：间歇发酵、连续发酵以及批式流加发酵。连续发酵是指在含有菌种与培养基的发酵罐中，以一定速度向发酵罐中加入一定浓度的底物，同时再以相同的速度将产物从发酵罐中取出，整个过程保持发酵罐中液体体积不变。连续发酵相对于另外两种发酵方式具有工业化易操作的优点，具有很强的生产强度适合大规模生产，而这种发酵方式生产出来的1,3-PD浓度低，所以如何提高连续发酵的产物浓度成为人们关注的问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，提出了一种基因调节非线性动力系统控制模型，所述控制模型用优化方法解决控制所面临的问题，以细胞外1,3-丙二醇的浓度为性能指标，以混杂非线性动力系统、连续发酵系统的近似稳定性、细胞内外物质浓度相对误差以及细胞内物质浓度的生物鲁棒性等为主要约束条件，构造了优化控制问题。本专利技术的技术方案为：一种基因调节非线性动力系统控制模型，所述控制模型设有时刻甘油微生物发酵控制参数，，分别代表甘油微生物发酵时在时刻的控制参数的浓度，为反应时间，，，令,为试验次数，为路径集，为路径数，，，为状态变量，表示第次试验第条路径时各物质在时刻的浓度，，为第次试验的甘油的流加速率，为第次试验的甘油初始浓度，设甘油歧化生产1,3-PD的间歇与连续发酵的时间范围分别为和，其中则对甘油生物歧化过程可描述为下面的酶催化和基因调控的非线性混杂动力系统HNDS(j,k)：其中，，，此系统描述的是甘油先间歇发酵（1）后连续发酵（2）的过程，为间歇发酵的终止时刻，间歇发酵过程中对给定的假设系统在时刻达到近似稳态，记细胞外近似稳态浓度为令为第次试验测得的细胞外前三种物质达到稳态时的浓度，细胞外物质的试验数值与计算数据的相对误差定义为细胞内物质的鲁棒性定义为其中是的扰动空间，为关于的邻域球的半径，为关于的概率密度函数，为此，建立的目标函数如下：其中是权重系数，以细胞外1,3-丙二醇的浓度为性能指标，建立控制模型为：其中是一个大于零的足够小的常数，用来判断系统HNDS(j,k)是否达到近似稳定状态，由于优化模型中既含有连续变量，又含有离散变量，所以是很难直接解决问题的，为此我们把问题NLP转化为两个子问题，将这个两种变量分开处理，以简化问题。首先，给定路径找到在一条路径下使相对误差与鲁棒性值最小的参数则子问题（1）可描述为之后，再对路径进行识别，子问题（2）描述为子问题NLP1和NLP2等价于问题NLP。本专利技术有益效果1）本专利技术建立了连续发酵的一个带有离散路径参数以及连续系统参数的十四维的控制模型，以细胞外1,3-丙二醇的浓度为性能指标，构造了优化控制问题。2）以1,3-丙二醇为性能指标的优化模型下，通过控制模型计算，使系统符合实际基础上达到产量最大，通过此模型进行计算的丙二醇浓度已经超过了550mmol/L。具体实施方式所述控制模型设有时刻甘油微生物发酵控制参数，，分别代表甘油微生物发酵时在时刻的控制参数的浓度，为反应时间，，，令,为试验次数，为路径集，为路径数，，，为状态变量，表示第次试验第条路径时各物质在时刻的浓度，，为第次试验的甘油的流加速率，为第次试验的甘油初始浓度，设甘油歧化生产1,3-PD的间歇与连续发酵的时间范围分别为和，其中则对甘油生物歧化过程可描述为基因调节非线性动力系统控制模型HNDS(j,k)，HNDS(j,k)包括HNDS1(j,k)和HNDS2(j,k)；其中，，，此系统HNDS(j,k)描述的是甘油先间歇发酵HNDS1(j,k)后连续发酵HNDS2(j,k)的过程，为间歇发酵的终止时刻，间歇发酵过程中对给定的假设系统在时刻达到近似稳态，记细胞外近似稳态浓度为令为第次试验测得的细胞外前三种物质达到稳态时的浓度，细胞外物质的试验数值与计算数据的相对误差定义为细胞内物质的鲁棒性定义为其中是的扰动空间，为关于的邻域球的半径，为关于的概率密度函数，为此，建立的目标函数如下：其中是权重系数，以细胞外1,3-丙二醇的浓度为性能指标，建立控制模型为：其中是一个大于零的足够小的常数，用来判断系统HNDS(j,k)是否达到近似稳定状态，由于优化模型中既含有连续变量，又含有离散变量，所以是很难直接解决问题的，为此我们把问题NLP转化为两个子问题，将这个两种变量分开处理，以简化问题。首先，给定路径找到在一条路径下使相对误差与鲁棒性值最小的参数则子问题（1）可描述为之后，再对路径进行识别，子问题（2）描述为子问题NLP1和NLP2等价于问题NLP。以1,3-丙二醇为性能指标的优化模型下，通过之前计算的经验限定细胞外物质浓度的相对误差以及细胞内生物的鲁棒性使系统符合实际基础上达到产量最大，通过此模型进行计算的丙二醇浓度已经超过了550mmol/L。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基因调节非线性动力系统控制模型，其特征是：所述控制模型设有时刻甘油微生物发酵控制参数，，分别代表甘油微生物发酵时在时刻的控制参数的浓度，为反应时间，，，令,为试验次数，为路径集，为路径数，，，为状态变量，表示第次试验第条路径时各物质在时刻的浓度，，为第次试验的甘油的流加速率，为第次试验的甘油初始浓度，设甘油歧化生产1,3‑PD的间歇与连续发酵的时间范围分别为和，其中则对甘油生物歧化过程可描述为基因调节非线性动力系统控制模型HNDS(j,k)，HNDS(j,k)包括HNDS1(j,k)和HNDS2(j,k)；其中，，，此系统HNDS(j,k)描述的是甘油先间歇发酵HNDS1(j,k)后连续发酵HNDS2(j,k)的过程，为间歇发酵的终止时刻，间歇发酵过程中对给定的假设系统在时刻达到近似稳态，记细胞外近似稳态浓度为令为第次试验测得的细胞外前三种物质达到稳态时的浓度，细胞外物质的试验数值与计算数据的相对误差定义为细胞内物质的鲁棒性定义为其中是的扰动空间，为关于的邻域球的半径，为关于的概率密度函数，为此，建立的目标函数如下：其中是权重系数，以细胞外1,3‑丙二醇的浓度为性能指标，建立控制模型为：其中是一个大于零的足够小的常数，用来判断系统HNDS(j,k)是否达到近似稳定状态。...

【技术特征摘要】
1.一种基因调节非线性动力系统控制模型，其特征是：所述控制模型设有时刻甘油微
生物发酵控制参数，，分别代表甘油微生
物发酵时在时刻的控制参数的浓度，为反应时间，，，令
,为试验次数，为路径集，为路径数，，
，为状态变量，表示第次试验第条路径时各物质在时刻的浓度，，为第次试验的甘油的流加速率，为第次试验的甘油初始浓度，设甘油歧化生
产1,3-PD的间歇与连续发酵的时间范围分别为和，其中则对
甘油生物歧化过程可描述为基因调节非线性动力系统控制模型HNDS(j,k)，
HNDS(j,k)包括HNDS1(j,k)和HNDS2(j,k)；
其中，，，此系统HNDS(j,k)描述的是甘油先间
歇发酵HNDS1(j,k)后连续发酵HNDS2(j,k)的过程，为间歇发酵的终止时刻，间歇发酵过
程中对给定的假设系统在时刻达到近似稳态，记细胞外
近似稳态浓度为令为第次试验测得的细胞外
前三种物质达到稳态时的浓度，细胞...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金鹤，周丽，庞丽萍，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37