[发明专利]一种基因调节连续发酵混杂动力系统

摘要

本发明涉及一种基因调节连续发酵混杂动力系统，所述系统利用最优化科学理论解决甘油微生物发酵控制问题，甘油微生物发酵控制问题包括控制要素，所述控制要素包括生物量、细胞外甘油、细胞外1，3‑PD、乙酸、乙醇、细胞内甘油、细胞内3‑HPA、和细胞内1，3‑PD、m_R、自由调节蛋白R、M_GDHt、甘油脱水酶GDHt、M_PDOR、1，3‑PD氧化还原酶PDOR。本发明在建立数学模型和数值准确性之间寻找平衡，提出了可能的代谢路径，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非线性混杂动力系统，以约束条件构造了优化控制问题。

主权项

1.一种基因调节连续发酵混杂动力系统，其特征是：所述系统利用最优化科学理论解决甘油微生物发酵控制问题，甘油微生物发酵控制问题包括控制要素，所述控制要素包括生物量、细胞外甘油、细胞外1，3‑PD、乙酸、乙醇、细胞内甘油、细胞内3‑HPA、和细胞内1，3‑PD、调节蛋白碱基序列m_R、自由调节蛋白R、甘油脱水酶碱基序列M_GDHt、甘油脱水酶GDHt、氧化还原酶碱基序列M_PDOR、1，3‑PD氧化还原酶PDOR，定义函数x(t)为在t时刻的控制要素的浓度：即，x(t)＝(x₁(t)，x₂(t)，…，x₁₄(t))，x₁(t)，x₂(t)，…，x₁₄(t)分别代表在t时刻生物量、细胞外甘油、细胞外1，3‑PD、乙酸、乙醇、细胞内甘油、细胞内3‑HPA、和细胞内1，3‑PD、调节蛋白碱基序列m_R、自由调节蛋白R、甘油脱水酶碱基序列M_GDHt、甘油脱水酶GDHt、氧化还原酶碱基序列M_PDOR、1，3‑PD氧化还原酶PDOR的浓度，令I_N＝{1，2，…，N}，为试验的指标集，N为试验次数，j∈I_N为第j次试验；W为路径集，|W|为路径数，I_|W|为路径的指标集，代表路径的序号，k∈I_|W|为第k条路径，t为反应时间，t∈[0，T]，T∈R⁺，为状态变量，R¹⁴为14维实向量空间，简记为x_i(t)，i∈I₁₄，j∈I_N，k∈I_|W|分别表示第j次试验和第k条路径；为二维正实数集，D_j为第j次试验的甘油稀释速率，为第j次试验的甘油初始浓度，j∈I_N，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[0，t_b]和[t_b，T]，则对j∈I_N，k∈I_|W|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f＝(f₁，f₂，...，f₁₄)^T，u^k∈R³⁰，R³⁰为30维实向量空间，[0，T]∈R⁺，R⁺为正实数，此系统描述的是甘油先间歇发酵(1)后连续发酵(2)的过程，f^b(x，u^k，j，w^k)表示间歇发酵(1)的过程函数，f^c(x，u^k，j，w^k)表示连续发酵(2)的过程函数，t_b为间歇发酵的终止时刻，间歇发酵过程中D_j＝0，考虑到所述的细胞内3‑HPA的抑制机理，假设甘油以及细胞外1，3‑PD非跨膜运输方式为主动运输与被动扩散相结合，连续培养向量场如下：第j次试验和第k条路径的菌种的比生长速率为：表示第i个状态变量的临界浓度，i＝2，3，4，5，7；μ_m、K_s为系数参量，在37℃，PH＝7微氧条件下，μ_m＝0.67h^‑1，K_s＝0.28mmol/L，第j次试验和第k条路径的细胞外甘油的比消耗速率为：Δq₂、为系数参量，第j次试验和第k条路径的甘油的比生长速率为，第j次试验和第k条路径的1，3‑PD的比生长速率为：第j次试验和第k条路径的乙酸的比生长速率q₄为：Δq₄、为系数参量，第j次试验和第k条路径的乙醇的比生长速率为q₅为：q₅(j，k)＝m₅+μ(j，k)Y₅；其中，为指示函数，其自变量大于0时，其值为1，否则为0；u_j，j＝1，2，...，33为甘油先间歇发酵方程(1)或连续发酵方程(2)的系数参量，m₂、m₄、m₅分别为q₂(j，k)、q₄(j，k)、q₅(j，k)的初始时刻常量；Y₂、Y₄、Y₅分别为q₂(j，k)、q₄(j，k)、q₅(j，k)的表达式的系数参量。