[发明专利]葡萄糖酸钠发酵工业装置模型的建模方法

摘要

本发明公开了一种葡萄糖酸钠发酵工业装置模型的建模方法。通过广义的化学计量反应方程组，利用酶反应动力学中的幂级数结构建立各反应因素与各步反应的速率常数和得率系数的状态方程组，并直接基于工业装置生产数据，寻优求得该模型的回归系数，建立能良好描述工业装置特性的模型。本发明避免了对反应机理以及工业装置的特性认识不足，通过广义的化学计量反应矩阵和幂级数的结构形式，可以描述各反应因素对发酵反应过程的复杂影响，直接基于工业装置生产数据来建立工业装置模型，避免了通过耗时、花费巨大的实验装置测试建立发酵过程的非构造式经验模型。实验结果表明，所建立的工业装置模型具有良好的预测精度，完全能满足工业装置应用需求，具有很高的工业应用价值。

主权项

一种葡萄糖酸钠发酵工业装置模型的建模方法，其特点是：(1)根据黑曲霉发酵工艺生产葡萄糖酸钠的已有机理信息，建立如下发酵过程的化学计量反应方程组：S+X→r1X,]]>C+S+X→r2H2O+CO2,]]>C+S+X→r3P,]]>其中，r1、r2、r3分别为菌体生长、菌体代谢和产物生成的反应速率；X代表菌体浓度，S代表底物浓度，即葡萄糖浓度；P代表产物浓度，即葡萄糖酸钠浓度，单位都为g/L，C代表溶氧相对于饱和氧浓度的百分比，单位％；(2)基于酶反应动力学的幂级数结构，对每个反应速率进行建模：r1=Sk1*Xk2,]]>r2=Sk3*Ck4*Xk5,]]>r3=Sk6*Ck7*Xk8,]]>其中，ki(i＝1～8)为各反应对应的速率常数；(3)结合化学计量反应方程组和速率方程，建立状态方程组：dZdt=Kr,]]>dCdt=C(t),]]>其中，ZT＝[X,P,S]T。rT＝[r1,r2,r3]T。K代表了得率系数矢量，K=k9-k10-k1100k12-k13-k14-k15]]>C(t)在这里暂时使用关于时间t的2次拟合来描述溶氧。(4)直接基于工业装置生产数据，寻优求得该模型的回归系数，实现建立能良好描述工业装置特性的模型；具体步骤如下：步骤一，采集工业装置生产过程数据，形成样本数据。设采集了n组数据，每组数据包括[X,P,S,C,t]；步骤二，确定模型的拟合精度ε，0＜ε＜1；步骤三，确定回归系数k的初始值，建立初始葡萄糖酸钠发酵工业装置模型；步骤四，判断模型是否达到精度要求；具体步骤如下，计算总误差Min=Σi=13REi,]]>REi=1nΣj=1n|yi_pred-yi_expyi_exp|,---(4)]]>步骤五，判断总误差Min≤ε，或已停止收敛；若是，则辩识结束，求得回归系数k，建立葡萄糖酸钠发酵工业装置模型；否则，转到步骤六；步骤六，通过遗传算法对回归系数k进行调整搜索，获得新的回归系数k，回到步骤四。