生物反应器流加调控的非均匀网格优化方法技术

生物反应器流加调控的非均匀网格优化方法，属于工业微生物制造过程调控优化及应用领域。涉及一种基于非均匀网格控制变量参数化的底物流加速率调控轨迹的优化方法，根据微生物生长代谢的不同阶段对底物营养物质的不同要求，相应地将补料量的调控轨迹在时间域上划分为宽度不等的网格，每一段网格的补料流加速率和网格宽度作为待优化的变量，通过时域变换函数，将不等长的网格宽度映射到等长网格的新时域中，最后对比优化后时间节点与工程实际中生长阶段节点的偏差，给出一种网格再调整策略，以更少的网格划分，实现诸如产物生成量最大、底物转化率最高等优化目标，提高优化效果和优化效率。

A non-uniform grid optimization method for flow control in bioreactor

【技术实现步骤摘要】
生物反应器流加调控的非均匀网格优化方法
本专利技术属于工业微生物制造过程调控优化及应用领域，涉及一种基于非均匀网格控制变量参数化的底物流加速率调控轨迹的优化方法，在实现诸如产物生成量最大、底物转化率最高等优化目标时，以更少的网格划分、更切合微生物生长阶段的网格再调整等技术流程，使得优化算法更适合工程实际，保证生物反应器维持最优的底物浓度以促进代谢产品的合成。
技术介绍
随着绿色经济的发展以及市场需求的转变，以工业微生物技术为代表的小批量、高利润、多品种生产方式日益受到重视。利用生物反应器的发酵生产能通过间歇或连续生产的方式在周期时间内获得经济效益高的产物，比如药品盘尼西林，其外源分泌蛋白等一般由微生物发酵反应而得。但是生物反应器涉及微生物生长代谢，既有机理的复杂性又有生物酶的特异性，并且对调控条件比较敏感；发酵代谢产品的质量和产量很大程度上由生物反应器的调控条件决定，最优调控技术是投资小、收益高，以及节能减耗、增潜挖效的重要手段。发酵过程生产过程中温度、酸碱度、溶氧、搅拌速度以及补料速率等条件对微生物生长代谢都有重要影响；研究表明生物反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生物反应器流加调控的非均匀网格优化方法，其特征在于，步骤包括：/n步骤1：代谢过程优化目标构建：/n将流加补料速率u(t)作为待优化的操纵变量，发酵过程状态方程

【技术特征摘要】
1.生物反应器流加调控的非均匀网格优化方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1：代谢过程优化目标构建：
将流加补料速率u(t)作为待优化的操纵变量，发酵过程状态方程其中x(t)表示发酵过程中的状态向量，其初始值x(t0)＝x0，将发酵生产实际中的一些工程化和经验化的要求作为约束条件：
g(x(t),u(t),t)＝0(1)
h(x(t),u(t),t)≤0(2)
式中g(·)为等式约束函数，h(·)为不等式约束函数，对流加补料速率u(t)给出上下限约束：



从发酵的初始时刻t0＝0到终止时刻tf的整个周期过程中，设ψ(x(tf),u(tf),tf)为终端状态项、φ(x(t),u(t),t)为过程状态项，构建以下优化目标函数J：



通过寻优获得目标函数J最大时的补料速率调控轨迹u*(t)；
步骤2：流加补料速率的网格划分：
将整个发酵生产周期划分为宽度不等的N个网格区间[tk,tk+1],k＝1,…,N,即t0≤t1≤…≤tN-1≤tN＝tf，补料调控轨迹用所有k个网格内的基函数线性组合uσ(k)来近似：



式中σk是各网格内的补料速率，是待优化的控制参数，为基函数；
步骤3：非均匀网格的时域变换：
对于非均匀划分的时间网格[tk,tk+1]，将每个时间网格宽度作为优化变量，令v(k)＝tk-tk-1表示网格宽度；进一步引入一个新时域τ，通过变换函数dt＝v(k)dτ，将时域t中非均匀网格映射到新的时域τ中的均匀网格：
tk-tk-1＝v(k)(τk-τk-1)(6)
式中τk-τk-1为时域τ中的均匀网格，且τk-τk-1＝1，由此全过程[t0,tf]上非均匀划分变换为在时间域τ上均匀划分[1,N]，网格的时间节点为τk＝τ0+k,k＝1,…,N；
步骤4：目标函数在新时域中重构：
新时域中发酵过程状态方程为：



优化目标函数及约束函数重构如下：






g(x(τ),uσ(k),τ)＝0
h(x(τ),uσ(k),τ)≤0






重构后待优化变量为补料速率变量参数和网格宽度；
步骤5：优化目标的求解：
(a)设置补料速率轨迹的控制变量参数σk的初始值网格宽度v(k)的初始值v0(k)、优化目标终止条件ρ，置当前迭代计数器j＝1；
(b)将和vj(k)代入状态方程(7)，利用计算机数值解法求解方程，得到状态向量x(τ)；
(c)计算目标函数(8)，判断是否满足终止条件，若满足则获得最优的补料速率调控轨迹即最优的控制变量参数和网格宽度v*(k)；若不满足终止条件，进行下一步骤(d)的非线性规划方法寻优；
(d)采用非线性规划方法寻优算法，求解目标函数(8)；
(e)使迭代计数器j＝j+1，更新参数和vj(k)，转到步骤5的第(b)步；
步骤6：考虑生长代谢阶段特点的网格再调整：
(a)根据最优网格宽度v*(k)，由v(k)＝tk-tk-1反推出各最优时间节点
(b)计算生长代谢的滞后期、对数生长期、稳定期的时间节点tL,tE,tS与相近的最优时间节点的偏离量，若偏离在给定的范围内，则网格不做调整；若偏离超出范围，则转入步骤(c)，对网格进行再调整；
(c)考虑将其中与时间节点tL,tE,tS相近的时间节点替换成tL,tE,tS并固定，调整后的网格时间节点为k＝1,…,L,…,E,…,S,…,N；
(d)调整已固定的时间节点tL,tE,tS前后的网格宽度v*(i)，i＝{L,L+1,E,E+1,S,S+1}，设置重新迭代寻优的网格宽度起始值；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，石博文，尹燕燕，李恭新，赵忠盖，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32