基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的抗生素發(fā)酵過程的建模與控制.pdf

1、抗生素生產(chǎn)主要通過微生物發(fā)酵(Fermentation)的途徑。高成本和高能耗是抗生素發(fā)酵生產(chǎn)的特征。因此，優(yōu)化抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過程，對于降低抗生素生產(chǎn)成本，提高抗生素產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。 抗生素發(fā)酵過程具有復(fù)雜的演化特性，而細(xì)胞自動(dòng)機(jī)具有表現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)行為能力。本文基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(CellularAutomata，CA)，建立抗生素發(fā)酵過程的演化模型，并基于這種模型，研究抗生素發(fā)酵過程的復(fù)雜演化行為和優(yōu)化控制策略，取得了如下研

2、究成果： (1)本文提出了一種基于微生物細(xì)胞生長機(jī)理和動(dòng)力學(xué)微分方程模型的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型設(shè)計(jì)方法，簡稱FCADS方法。FCADS方法基于微生物細(xì)胞分批培養(yǎng)生長機(jī)理和微生物細(xì)胞分批培養(yǎng)生長動(dòng)力學(xué)微分方程模型，設(shè)計(jì)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型的隨機(jī)演化規(guī)則，從而構(gòu)造出微生物分批培養(yǎng)過程的概率CA模型。理論分析證明：基于FCADS方法設(shè)計(jì)的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型等價(jià)于一個(gè)可用隨機(jī)差分方程描述的隨機(jī)過程，該隨機(jī)過程以原動(dòng)力學(xué)微分方程為期望函數(shù)，表明細(xì)胞自動(dòng)機(jī)

3、模型和原動(dòng)力學(xué)微分方程模型在統(tǒng)計(jì)意義上是一致的。FCADS方法為抗生素發(fā)酵過程的CA模型設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 (2)基于FCADS方法，本文結(jié)合青霉素分批發(fā)酵過程產(chǎn)生菌生長機(jī)理和生長動(dòng)力學(xué)微分方程模型，設(shè)計(jì)青霉素分批發(fā)酵過程CA模型隨機(jī)演化規(guī)則，從而構(gòu)造出青霉素分批發(fā)酵過程菌體生長的可視化概率CA模型，簡稱CABGM；結(jié)合青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程產(chǎn)生菌生長機(jī)理和Paul形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程CA模型隨機(jī)演化規(guī)

4、則，建立了模擬青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程的可視化概率CA模型，簡稱CAPFM。CABGM和CAPFM分別模擬了分批和分批補(bǔ)料兩種青霉素發(fā)酵過程。仿真實(shí)驗(yàn)表明，CABGM能一致地復(fù)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)微分方程模型所描述的青霉素菌體生長過程，而CAPFM能一致地復(fù)現(xiàn)形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型所描述的青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程。CAPFM為青霉素發(fā)酵過程的優(yōu)化控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。 (3)本文針對青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程優(yōu)化控制問題，以模擬青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過

5、程細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型CAPFM的研究工作為基礎(chǔ)，提出了一種基于CAPFM的青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程優(yōu)化控制策略設(shè)計(jì)方法，簡稱FCSDS方法。FCSDS方法通過理論分析，將青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型CAPFM等價(jià)并轉(zhuǎn)化為一個(gè)馬爾可夫過程，基于馬爾可夫決策過程MDP的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)造了CAPFM迭代優(yōu)化控制策略ROCS。本文基于CAPFM和ROCS設(shè)計(jì)了青霉素分批補(bǔ)料發(fā)酵過程迭代優(yōu)化控制的模擬仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了較為充分的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)