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第1章 绪论1

1.1 甘油生物转化过程简介1

1.2 甘油生物转化过程动力学5

1.2.1 甘油代谢细胞生长动力学6

1.2.2 底物甘油消耗动力学模型9

1.2.3 细胞外主要产物形成动力学9

1.2.4 底物甘油跨膜运输动力学模型10

1.2.5 细胞内3-羟基丙醛动力学模型11

1.2.6 细胞内1,3-丙二醇动力学模型11

1.3 发酵工程中的动力系统及研究现状12

1.3.1 脉冲微分方程及研究现状12

1.3.2 混杂动力系统及其研究现状13

1.3.3 时滞动力系统及其研究现状15

1.3.4 随机动力系统及其研究现状18

1.4 代谢工程的定量分析18

1.4.1 代谢通量分析19

1.4.2 代谢控制分析21

1.4.3 S系统方法23

1.5 发酵工程中的优化31

1.5.1 非线性参数优化问题的研究概况31

1.5.2 非线性最优控制的研究概况33

1.5.3 生物鲁棒性及其研究现状36

1.6 本书的主要内容37

第2章 非线性动力系统与并行算法38

2.1 符号与各种空间38

2.1.1 拓扑向量空间39

2.1.2 变分分析45

2.2 集中参数动力系统48

2.2.1 常微分方程的定性理论48

2.2.2 最优控制问题49

2.3 混杂动力系统54

2.3.1 理论框架模型54

2.3.2 参数灵敏度分析56

2.3.3 切换系统57

2.4 脉冲动力系统58

2.4.1 系统描述58

2.4.2 脉冲系统解的性质61

2.4.3 脉冲系统最优控制65

2.5 随机动力系统67

2.5.1 随机微分方程的定性理论67

2.5.2 随机最优控制70

2.6 时滞动力系统71

2.7 几乎线性系统的稳定性74

2.7.1 局部几乎线性系统稳定性74

2.7.2 Lyapunov第二方法77

2.8 最优性原理79

2.8.1 极大值函数79

2.8.2 双层规划81

2.8.3 最优性条件82

2.9 并行算法87

2.9.1 并行计算的背景与现状88

2.9.2 并行计算的基本概念89

2.9.3 并行算法设计90

2.9.4 并行程序设计——MPI编程91

2.9.5 MPI常用函数101

第3章 微生物间歇发酵非线性动力系统111

3.1 引言111

3.2 间歇发酵Monod型动力系统111

3.2.1 系统解的性质112

3.2.2 参数辨识及优化113

3.2.3 数值模拟115

3.2.4 最优控制模型及性质117

3.2.5 最优性条件与最优性函数122

3.3 间歇发酵多阶段动力系统126

3.3.1 系统解的性质127

3.3.2 参数辨识模型130

3.3.3 优化算法131

3.3.4 数值模拟132

3.4 时变函数多阶段动力系统135

3.4.1 系统辨识模型135

3.4.2 优化算法136

3.4.3 数值模拟137

3.5 间歇发酵随机动力系统139

3.5.1 比生长速率的白噪声扰动140

3.5.2 随机系统解的性质141

3.5.3 随机动力系统的生存集142

3.5.4 数值模拟145

3.5.5 随机最优控制146

3.6 间歇发酵的S系统149

3.6.1 S系统的参数辨识150

3.6.2 优化算法150

3.6.3 数值结果151

3.7 间歇发酵酶催化混杂动力系统152

3.7.1 酶催化混杂动力系统模型152

3.7.2 酶催化混杂动力系统性质154

3.7.3 系统辨识、优化算法及数值模拟155

3.7.4 参数灵敏度分析及数值结果157

第4章 微生物连续发酵非线性动力系统160

4.1 引言160

4.2 基于Monod模型的微生物连续发酵动力系统161

4.2.1 模型描述161

4.2.2 非线性动力系统的性质163

4.2.3 参数辨识模型163

4.2.4 优化算法及数值模拟164

4.2.5 非线性动力系统的稳定性166

4.3 连续发酵非线性随机动力系统178

4.3.1 非线性随机动力系统178

4.3.2 非线性随机动力系统性质180

4.3.3 数值模拟182

4.4 微生物连续发酵时滞动力系统183

4.4.1 无量纲连续发酵时滞动力系统183

4.4.2 无量纲连续发酵时滞动力系统的性质188

4.4.3 无量纲连续发酵时滞动力系统的数值模拟189

4.5 连续发酵酶催化混杂动力系统独立参数辨识与并行优化190

4.5.1 复杂代谢网络及混杂动力系统模型191

4.5.2 连续发酵酶催化动力系统的性质194

4.5.3 性能指标与鲁棒性分析195

4.5.4 一簇混杂动力系统的独立参数辨识197

4.5.5 一簇混杂动力系统独立参数辨识的并行优化199

4.5.6 数值模拟201

4.6 基于双层规划推断甘油代谢的目标函数201

4.6.1 甘油在克雷伯氏杆菌中的代谢201

4.6.2 通量平衡分析模型202

4.6.3 推断目标函数的双层优化模型203

4.6.4 通量模型性质及数值计算204

4.7 酶催化动力系统共同参数系统辨识及并行优化208

4.7.1 性能指标与鲁棒性分析210

4.7.2 共同参数辨识模型及并行优化算法212

4.7.3 数值结果214

第5章 批式流加发酵动力系统辨识与最优控制219

5.1 引言219

5.2 耦联批式流加发酵脉冲动力系统220

5.2.1 批式流加的非线性脉冲动力系统221

5.2.2 非线性脉冲动力系统的参数辨识227

5.2.3 非线性脉冲动力系统的最优控制237

5.3 耦联批式流加发酵多阶段动力系统246

5.3.1 非线性多阶段动力系统247

5.3.2 非线性多阶段动力系统的性质249

5.3.3 多阶段动力系统的参数辨识250

5.3.4 多阶段动力系统的最优控制253

5.3.5 基于最优控制策略的设计261

5.4 耦联批式流加发酵多阶段脉冲动力系统265

5.4.1 多阶段脉冲系统及性质266

5.4.2 双层参数辨识267

5.4.3 优化算法269

5.4.4 数值结果270

5.5 耦联批式流加发酵自治切换动力系统272

5.5.1 自治切换动力系统272

5.5.2 最优控制模型275

5.5.3 优化算法276

5.5.4 数值结果279

5.6 耦联批式流加发酵的最优切换控制281

5.6.1 非线性切换动力系统282

5.6.2 非线性切换系统的性质284

5.6.3 最优切换控制模型及其等价形式286

5.6.4 优化算法288

5.6.5 数值结果295

5.7 非耦联批式流加发酵混杂系统297

5.7.1 非线性混杂动力系统297

5.7.2 混杂系统的适定性分析302

5.7.3 数值模拟309

5.7.4 批式流加发酵反馈控制的设计312

参考文献321

附录A 关于非线性发酵动力系统其他文献338

附录B 发酵动力系统研究获得资助情况342