谷氨酸发酵过程的建模与仿真研究

论文摘要

发酵过程是一个极其复杂的过程,不仅所需的环境参数不同,而且具有很强的非线性及不稳定性。随着市场的需求,发酵罐从几立方米发展到上千立方米,若操作控制不当,将会造成极大的经济损失。由于这些原因,使得对发酵过程的实验研究很不方便,因而建立一套精确的发酵仿真系统很有价值。建立一个可以准确描述过程机理特征的有效的数学模型是实现仿真功能的基础和前提条件。本文对味精生产工艺进行深入了解,以味精生产过程现场记录的大量数据为基础,对谷氨酸发酵过程的常规模型进行改进,建立了谷氨酸发酵过程的非构造式动力学模型,该模型较详细地考虑了各个变量间的相互制约作用和物理因子对发酵过程的影响作用。在建立的详尽模型基础上采用模拟退火算法与改进遗传算法相结合的混合算法进行所建模型的多参数辨识,克服了常规参数辨识算法对多参数辨识问题的局限性。仿真结果证明了混合算法的有效性和所建模型对发酵过程描述的真实性。最后,在对谷氨酸发酵过程建模和参数辨识的研究基础上,利用VB在界面设计上的优势,结合Matlab强大的计算仿真功能,设计了一套谷氨酸发酵过程模拟软件。增加了对谷氨酸发酵过程机理的了解,有助于实现对谷氨酸发酵过程的模拟和进一步的优化控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 谷氨酸及其生产简介
• 1.1.1 谷氨酸用途
• 1.1.2 谷氨酸的生产
• 1.2 发酵过程建模方法
• 1.2.1 白箱模型
• 1.2.2 黑箱模型
• 1.2.3 灰箱模型
• 1.3 选题的意义
• 1.4 论文的工作及内容安排
• 第二章 谷氨酸发酵过程分析与动力学模型
• 2.1 味精生产工艺过程
• 2.2 发酵过程影响因素和控制
• 2.2.1 温度的影响
• 2.2.2 pH值的影响
• 2.2.3 溶解氧的影响
• 2.2.4 各参数间的相互影响
• 2.3 发酵过程动力学分析
• 2.3.1 菌体比生长速率
• 2.3.2 菌体生长动力学
• 2.3.3 基质消耗动力学
• 2.3.4 产物生成动力学
• 2.4 谷氨酸发酵常规动力学模型
• 2.5 改进的谷氨酸动力学模型
• 2.5.1 改进的菌体生长模型
• 2.5.2 改进的基质消耗模型
• 2.5.3 改进的产物生成模型
• 2.5.4 其他环境因素模型
• 2.6 补料分批模型
• 2.7 模型小结
• 2.8 本章小结
• 第三章 模拟退火遗传算法
• 3.1 遗传算法
• 3.1.1 遗传算法的基本概念
• 3.1.2 典型遗传算法的原理
• 3.1.3 本文采用的遗传算法的步骤
• 3.2 模拟退火遗传算法
• 3.2.1 模拟退火算法的模型
• 3.2.2 模拟退火算法描述和运行
• 3.3 本章小结
• 第四章 谷氨酸发酵过程的仿真软件
• 4.1 软件设计
• 4.1.1 设计目的
• 4.1.2 设计意义
• 4.2 软件框架和开发技术
• 4.2.1 软件框架
• 4.2.2 软件开发技术
• 4.2.3 MATLAB与VB集成方法与比较
• 4.2.4 COM组件的创建
• 4.2.5 COM组件的引用
• 4.3 软件使用和功能
• 4.3.1 参数辨识面板
• 4.3.2 补料仿真面板
• 4.4 仿真实验
• 4.4.1 流加糖策略
• 4.4.2 流加氨水策略
• 4.4.3 通风量策略
• 4.4.4 温度对比试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论与总结
• 5.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所完成的学术论文