诺西肽发酵过程的建模与仿真平台的建立

论文摘要

现代生物工程技术已经成为当今世界新技术革命的重要组成部分,是当前优先发展的高新技术之一。它的发展有可能解决人类面临的能源不足、资源不足、污染严重等危机,甚至影响产业组织和结构的变革,同时会带来巨大的经济效益。发酵工程与其他生物工程密切相关,无论从微生物得到酶或用遗传工程菌获得产品,都必须依赖发酵工程的技术,可见发酵工业的发展直接影响生物工程的进一步发展。国外在20世纪60年代中后期发现了诺西肽(nosiheptide)产生菌后即开始对诺西肽进行研究,现在诺西肽已经被开发成一种新型的非吸收性饲料添加剂,国外于80年代末批准上市,目前日本和法国已正式将诺西肽列为法定的饲料添加剂而予以投产,而国内在这方面研究较少,还没有产品上市。由于诺西肽具有广阔的市场前景,本文研究了诺西肽发酵过程的建模与仿真平台的建立,主要内容如下：从发酵动力学出发,首先建立了诺西肽分批发酵模型,包括菌体生长模型、基质消耗模型、溶解氧模型和产物合成模型这四个子模型,其中考虑到温度、空气流量、电机搅拌转速等外部操作变量对发酵过程的影响和状态变量之间的相互关联,继而通过遗传算法确定了该模型的参数；之后进一步建立了诺西肽发酵过程的补料分批发酵模型,实验表明建立的模型能够较好的描述诺西肽发酵过程。为了节省实验所耗费的大量人力物力并方便相关研究人员获得大量研究数据和仿真图,本文还致力于开发基于模型的仿真平台。此仿真平台充分结合了Visual Basic具有友好可视化编程画面的特点和Matlab的强大数值分析和图形显示功能的特点。使用VB制作仿真平台的界面,使用Matlab M函数文件实现仿真数据获得和仿真图形绘制的功能。用户只需在仿真平台上根据实际情况输入相关工艺操作参数等,就可以得到菌体浓度、基质浓度、溶解氧浓度、产物浓度等重要状态变量的变化曲线和数据,继而进行相关工艺、自动控制和优化操作变量的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 发酵工程简介
• 1.2.1 发酵的生产方式和评价
• 1.2.2 发酵过程的流程
• 1.2.3 发酵的产品
• 1.3 发酵工业的发展
• 1.3.1 天然发酵阶段
• 1.3.2 纯培养技术的建立
• 1.3.3 通气搅拌发酵技术的建立
• 1.3.4 代谢控制发酵技术
• 1.3.5 开拓发酵原料时期
• 1.3.6 基因工程阶段
• 1.4 本文的课题背景和主要工作
• 第二章 诺西肽发酵过程
• 2.1 诺西肽概述
• 2.1.1 诺西肽的物理化学性质
• 2.1.2 诺西肽的生物学作用及原理
• 2.1.3 诺西肽的应用
• 2.1.4 诺西肽的发酵工艺及检测方法
• 2.1.5 诺西肽的安全性
• 2.1.6 诺西肽的国内外研究现状及应用前景
• 2.2 发酵过程的主要影响因素
• 2.2.1 营养物质的影响
• 2.2.2 温度的影响
• 2.2.3 pH的影响
• 2.2.4 通气和搅拌的影响
• 2.3 生物反应器的简介
• 2.4 本章小结
• 第三章 诺西肽发酵过程的建模
• 3.1 用于发酵过程控制和优化的各类数学模型
• 3.2 发酵动力学
• 3.2.1 发酵动力学研究的内容
• 3.2.2 研究发酵动力学的方法
• 3.2.3 发酵动力学与过程优化控制
• 3.3 诺西肽分批发酵模型的建立
• 3.3.1 菌体生长模型
• 3.3.2 基质消耗模型
• 3.3.3 溶解氧模型
• 3.3.4 产物生成模型
• 3.3.5 分批发酵模型参数的确定
• 3.4 分批发酵模型的验证
• 3.4.1 材料与方法
• 3.4.2 结果与分析
• 3.5 诺西肽补料分批发酵模型的建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 诺西肽发酵过程仿真平台建立
• 4.1 诺西肽发酵过程仿真平台界面的建立
• 4.1.1 Visual Basic简介
• 4.1.2 诺西肽发酵过程仿真平台界面
• 4.2 在Matlab中实现发酵过程仿真功能
• 4.2.1 Matlab简介
• 4.2.2 M函数实现发酵过程仿真功能
• 4.3 Matlab与Visual Basic的混合编程
• 4.3.1 在Matlab中创建COM组件
• 4.3.2 COM组件的注册问题
• 4.3.3 在VB中调用COM组件
• 4.4 仿真平台运行结果展示
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢