带有时滞的微生物连续发酵模型的分析与模拟

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本文以微生物连续发酵、甘油歧化方法生产1,3-丙二醇为背景,根据微生物连续发酵过程中出现的多态与振荡现象,在动力学模型中分别引入了离散时滞和连续时滞,讨论了时滞对系统正平衡点稳定性的影响。主要运用Hopf分叉理论来分析讨论生物发酵过程中出现的多态现象及振荡行为。具体内容可概括为以下两点:1、本文在原有模型的基础上,考虑了细胞内甘油和1,3-丙二醇浓度的变化。又由于在培养过程中,发酵罐中各组成成分的浓度不仅仅与t时刻的生物量的浓度有关,并且与( t ?τ)时刻(τ>0)生物量的浓度有关,因此本文在第三章引入了离散时滞,建立了非线性离散时滞微分方程的动力系统,主要讨论离散时滞对系统正平衡点稳定性的影响及存在Hopf分叉的条件,模拟了稳态生物量和分叉值随进料浓度的变化曲线及系统发生分叉时生物量随时间变化的周期图,由此得到结论:离散时滞影响了平衡点的稳定性。2、为进一步说明时滞对系统的影响,考虑到由于细胞通过细胞壁摄取底物及分泌产物的过程是个连续的过程,因此系统的状态变化不仅依赖于系统当前的状态也依赖于系统过去整个时间段的状态,因此本文在第四章中引入了连续时滞,建立了非线性连续时滞微分方程的动力系统。在这一章中主要讨论连续时滞对系统的正平衡点的稳定性的影响,通过数值计算模拟了稳态生物量和分叉值随进料浓度的变化曲线,给出系统生物量随时间变化的周期图。运用Hopf分叉的代数判据,得到Hopf分叉存在的参数区域。本章得到的结论理论上可以为后续最优控制问题做准备,在实验室中也可以参考此结果选择适当的参数,尽量避免实验中出现的振荡现象。
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