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基于BP神经收集的L-色氨酸发酵流程修模

发布时间:2019-08-12 17:58 来源:未知 编辑:admin

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  维普资讯 第 1 8卷第 3期 20 0 3年 9月 天 津轻工业 学院学报 J OURN F T AN I AL O I JN UNI RSTY OF L GHT I VE I I NDUS Y TR Vo . 8 No 3 11 . S p 2 0 e. 03 基于 B P神 经 网 络 的 L- 氨 酸 发 酵 过 程 筑 模 ? 色 王 健 ,陈 宁 , 杨水兵 , 青乔 , 谭 刘淑云 ,张克旭 ( 天津科技 大学食物科学 与生物 工程 学院 , 天津 3 0 2 ) 0 2 2 摘 要: 用B 运 P神 经 搜集对 L 色氨酸 的发 酵经过 进 行筑模 并预 测 , 作战 的模子 能 够斗劲 一 所 切确地模 拟菌体 成长 、 底物 花费 以及发 酵产酸 3个经过 的转化。结果外 明 , P神 经搜集正在 L B 一 色氨 酸 发 酵 的 模 拟 与 预 测 中是 一 种 高 效 速 速 的 方 法 。 症结词 : 一 L色氨酸 ; 人工神 经搜集 ;发酵 ;筑模 中图分类号 :Q 2 . T92 9 文献标识码 : A 著作编号 :0 14 6 2 0 ) 3 )0 44 10 -5 X(0 3 0 4 1 ) 0 FERM [ ENTATI oNPRoCES SoFL. TRYP,oPH ANM oDEL G I ' BACED oN BP NEURAL NETW oRK WA NGin,CHE n ,Y NG i u Ja N Nig A Ha- n,T N igqa ,L I h -ml j A Q n ?io IJS u y , ZH A NG e. l K Xl ( o e e o o d S i c n ie g er g i J nvri fS i c n C l g fF o ce e a d Bo n i ei ,Ta i U iesy o ce e a d l n n n nn t n T cn lg 1aj 0 2 2, hn ) eh o y, ini 3 0 2 C ia o r n Ab t a t T e b c p o a a in n u a ewo k W S a p id t d l g a d p e i a o n p o e s s r c : h a k r p g t e rln t r a p l o mo e i n r d c t n o r c s o e n i o — y tp a e me tto . e mo e a mi t r cs lh r c s f b ce i r wt fL t p o h fr na in Th d lC r n n i t e p e iey t e p o e s o a tra g o h.b s a ae c n u t n a d p o u t .T e rs l n ia e h t h a k r p g t n Wa f c v n u c o s mp i r d c s h e u t id c t d t a e b c p o a a i S a e e t ea d q ik o n s t o n i meh d f rsmu a in a d p e ia in o r c s fL t p o h e me tt n to o i lt r d c t n p o e s o — y t p a fr n a i . o n o r n o Ke wo d : — y tp a ;a t ca e r ewo k;f r na i n y r s L t po h r n ri iln u a n t r i f l eme t t ;mo ei g o d l n 神 经 搜集 控 制 目前 已成 为 “ 能 控 制 ” 一 个 新 智 的 的分 支 , 自愿 控 制 领 域 的前 沿 学 科 之 一 。人 工 神 经 是 1 原料和 方式 1 1 供试 菌 株 . 搜集 身手 ¨ 具 有 很 强 的 非 线 性 映 射 能 力 , 通 过 网 它 络内部权值的调动来拟合 体例 的输 入输 出联系 , 即只 遵照输入输 出数据来作战模 型, 搜集的统计新闻存储 正在连 接权 矩 阵 内 , 故可 以反 映十 分 杂乱 的非线 性闭 系 , 搜集 的输 出端 点个 数 不 限 , 所以 很适 合 于 众 因变 量 、 众 自变 量统 计 中 的筑 模 _ 。 众 层 前 馈 网 络 ( N Mu. 4 J MF N. 1 tae edow r erlN tok ) 反 向传 播 ( P iyrFef ad N ua e rs 的 l r w B. Bcrpgtn 学 习 算 法 , 称 B akPoaai ) o 简 P算 法 , 有 导 师 是 的学 习 , 是 梯 度 下 降 法 正在 众 层 前 馈 网 络 中 的 应 用 。 它 本 文使 用 B P神 经 搜集 的 非 线 性 映 射 能 力 , L色 氨 对 . 酸 发酵 过 程进 行 筑 模并 预 测 。 谷 氨酸 棒杆 菌 C rnbcei gua cmT 22 oyeat u ltmi Q 2 3 r m u ( h 一+Tr Pe y一+5 G +5T +CN ) 天 津 科 技 MT +S F I , 大学 代谢 控 制 发酵 商量 室 保 藏菌 种 。 1 2 培 养基/ L~ . g? 种 子 培 养 基 : 萄 糖 4 ( H )S . , 米 浆 葡 0, N O4 0 玉 3 L 酵 母 浸膏 粉 6 K-P 4. , g O 7 2 . 0m , , I O I0 M S 4? H 00 4, I 2 MnS O4?H2 0. O 01, e O4 ?7H2 0.01, FS O VBl 0 3 0pg, . VH 0 x pH 0 —7. 2 0 tg, 7. 2。 发 酵 培 养 基 : 萄 糖 17, N 2O 2, h 葡 2 ( H )S 4 P e 0 1 T r . 5 豆 饼 水 解 液 1 L, 米 浆 2 L, .5,y 0 1 , 9m 玉 2m KH2 PO4 . Mg O4 ?7H2 0. Mn 1 0, S O 4, SO4 ?H2 0. O 01, ? 收 稿 日期 :0 2 1 — 3 2 0 — 2 1 } 基 金 项 目 : 津 市科 委 攻 闭 项 目 ( 8 1 3 1 ) 天 9 3 7 1 1 作家简介 : 王 健( 9 6一), , 17 女 吉林省人 , 博士商量 生。 维普资讯 2? 天津 轻 工 业 学院 学 报 第1卷 第3 8 期 Fe SO4 ?7H2 0. O 01, VBl 0 g, 1 0 VH 0 g, CO320 5 Ca 外 1 L色氨 酸发酵过 程数据 - ( 消)p . 分 , H 7 0~7 2 .。 1 3 培 养方 法 . 种 子 培育 :0 50mL三 角 瓶装 液 量 3 L, 0m 九层 纱 布 封 口 , 于旋 转 式 摇 床上 (2 / i)3 置 2 0rmn ,2℃ 振 荡 培 养 1 6 h。 5 L 自控 发 酵 罐 分 批 发 酵 : 5 L发 酵 罐 中 装 液 量 2 5L, . 接种 量2 0 m 3 5 L,2℃ , 风 比 1 1 流 加 氨 水 控 通 :, 制 p 正在 7 0, 过 流 加 泡 敌 消 泡 , 拌 转 速 50 r H . 通 搅 0/ mn 发 酵 6 。 i, 4 h 1 4 分 析 方 法 . ( )发 酵液 中残糖 测定 : 1 采用 S A4 B -0系列 生 物传 感 领会 仪测 定j 。 ( )菌 体 干重 测 定 : 1 L发 酵 液 于 预先 干燥 2 取 0m 好 的离 心 管 中 ,00 rmn离 心 1 i 上 清 , 恒 30 / i 5 mn弃 于 温 干燥 箱 1 5℃ 干燥 至 恒 重 , 0 然后 用 电子 天 平称 重 。 ( )发 酵 液 中 色 氨 酸 含 量 测 定 : 用 比色 法 测 3 采 由 [ 7 6— ] ^ 匕 o 15 B . P搜集模 型 的 外面 根柢 B P搜集 的结 构 和学 习算 法 可睹 文 献 [ ] 8。 2 结 果 与 讨 论 21 B . P模 型 的筑 立 方式 正在 氨基 酸发 酵 过 程 中状 态 变 量 重要 包 括 溶 氧 、 接 种量 、 压、 罐 菌体 浓 度 、 质 浓度 、 基 产品 浓 度 、H 等 。根 p 据本 商量 室 商量 结 果 , 用 谷 氨 酸 棒 杆 菌进 行 L色 氨 采 一 酸发 酵 , 于 L 色 氨 酸 发 酵 过 程 而 言 , 重 要 的 变 量 对 一 最 取 菌 体浓 度 、 质浓 度 以及 L色 氨 酸 的浓 度 三 个 就 能 基 一 够完工筑模职司 。正在 B P搜集的筑模经过 中样本取 2 8 组 数 据进 行 搜集 训 练 , 外 的 5组 数 据 作 为 网 络 的 验 另 证值 , 以使对 已训 练 好 的 搜集 进 行 验 证 。 L色 氨 酸 发 一 酵 经过 数 据如 外 1 示 。 所 2 2 菌体 成长 的 神 经 搜集模 型 I . 以 L色 氨酸 发 酵 经过 中 的 2 一 8组 数 据 作 为 神 经 网 络练习的样本值 , 以期间行为输入结点 , 菌体干重行为 输 出结 点 , 实行 确 定神 经 搜集 的隐层 含 7个 神 经元 , 网 络的偏差平方和抵达 0 1时训 练告终 , . 其锻炼经过 如 图1 所示 。为 了验 证所 筑 立 的模 型 , 随机 选 取 第 5 8 、、 1 、0 2 4 2 、8等 5组数 据 进 行验 证 , 筑 立 的菌 体生 长 B 所 P 神经 搜集模 型 及 验 证 所 得 结 果 如 图 2所 示 。 经 过 学 习, 神经 搜集能 较 为精 确 的拟 合 输入 的样 本 数 据 , 其最 大相 对误 差 不 超越 04 说 明模 型切确 可 信 。 .%, 图 1 模 型 I 练 过 程 训 2 3 基 质 花费 的神 经 搜集模 型 Ⅱ . 正在 L色 氨酸 发 酵过 程 中 , 质 ( 一 基 重要 是 葡 萄糖 ) 的 维普资讯 20 0 3年 9月 王 健, : 等 基于 B P神 经 搜集 的 L色氨 酸发酵经过 筑模 - ? 3? 花费 可 大致 划分 为长 菌 花费 和产 酸 消 耗 两大 部门 。虽 然菌 体 呼 吸也要 花费 大 量 的基 质 , 可 将 其 归结 正在 长 但 菌 花费 之 内 。与模 型 I 似 , 2 相 以 8组 数 据 作 为 样 本 , 以时 间 、 菌体 干 重 、 . 氨 酸 浓 度 作 为输 入 结 点 , 糖 L色 残 浓度 作 为输 出结 点 , 隐层 含 6个 神 经元 时 , 搜集 的误 差 平方 和 能达 到 1 0一, 搜集 训 练 过 程 如 图 3所 示 。为 了 避 耀 桀 整 :{ 日= 验 证所 作战 的模 型 , 选 取 58 1 、0 2 仍 、、4 2 、8等 5组 数 据 进 行验 证 , 所筑 立 的基 质 消 耗 B P神 经 网 络 模 型 及 验 证所 得 结 果 如 图 4所 示 。其 最 大 相 对 误 差 不 超 过 0 4 拟合 值 较 为精 确 。 .%, 2 4 L 色 氨酸 浓 度 的神经 搜集 模 型 Ⅲ . . 图 3 模 型 Ⅱ训 练 过 程 同模 型 I类 似 , 2 I 以 8组 样 本 进 行 搜集 训 练 , 以时 间、 菌体 干 重 和残 糖 浓度 作 为输 入结 点 ,- 氨酸 的浓 L色 度 作 为输 出结 点 , 隐层 含 5个 神 经 元 。训 练 后 的误 差 平 方 和达 到 1 0一, 搜集训 练过 程 如 图 5所 示 。 为 了验 证所 筑 立 的模 型 , 仍选 取 5 8 1 2 、8等 5组 数 据 进 、 、4、0 2 行 验证 , 筑 立 的产 物 浓 度 B 所 P神 经 网 络 模 型及 验 证 所 得结 果 如 图 6所 示 , 最 大 拟 合误 差 与 预 测 误 差 均 其 不 超越 0 2 。 .% _ ∞ 毯爱据婚壤 \ \ 蛙靛霉 图 4 模 型 Ⅱ拟合 与预测值及 其偏差 图 2 模子 I拟合与预测 值及其误 差 图 5 模 型 I '1 过 程 l0练 I1 维普资讯 4? 天 津 轻 工业 学 院 学报 第 1卷 第3 8 期 图 6 模 型 Ⅲ 拟 合 与 预 测 值 及 其 误 差 25 B . P神 经 搜集 的容 错 能 力 且 还能 实 时获 得 难 以 正在 线 测 量 的闭 键 生 化 变 量 , 确 准 为 了验证 神 经 搜集 的容 错 能 力 , 模 型 I中 的 第 将 14 9 1 、6、9 2 、5 2 、3等 1 、、 、3 1 1 、2 2 、9 3 O组 数 据 筑模 所 得 到 的模 型记 为 Ⅳ , 型 I 模 型 Ⅳ 斗劲 的结 果 睹 图 7 模 与 。 地 预测 发 酵趋 势 , 而 制胜 时滞 的影 响 , 从 加快 系 统 反响 速率 , 从而有用地监控 发酵经过 并举办优化操作奠定 了根柢 。 参 考 文 献: 由图 7可 以看 出 , 型 I 模 与模 型 Ⅳ 预测 值 基 本 吻 合 , 说 明B P神 经 搜集 的容错 能 力较 强 。 [ ] Jh. p e sadD vdW. ak N ua C m uai f 1 onJHof l n ai T . erl o p t o o id n tn D cs n p m ztnPo l s J . ioia C bme eio si O t i i rbe [ ] Bo gcl ye t i n i ao m l - is 1 8 5 1 c , 9 5, 2: 41—1 2 5 . [ M. . aa , B D m  ̄. e l N tokD s n[ . 2] T H g H. . e u N Pa e r ei M] n w g B s n, W S p b ih n o a y, 9 6. ot P o u l i g c mp s n 19 [ ] 徐 丽娜. 3 神经搜集独揽 [ . M] 哈尔滨 : 哈尔滨大 学 出书 社 , 1 99. 9 ? [ G lnt hnIN Pa N tokL ann dE pr s s 4] a at e e. e l e reriga xet y- l Sp w n t [ . a big , sah st , odn,n l dT e e M] I m r eMascue s L no E g h ms C d t n a MI P e s 1 9 1 5—1 8 T r s 9 3, 9 9 . [ ] 无锡轻 工业学 院 . 5 工业 发 酵领会 [ . 京 : M] 北 轻工 业 出书 图 7 模 型 I 模 型 Ⅳ预 测 结 果 斗劲 与 社 ,90 18 . [ ] I S i , . u m t n m. a aa a , J . si Bo. 6 . hi S S g oo d N k gw r [ ] A r i1 o i a c Ch m. 1 7 3 6 7 e , 9 5, 9: 2 . 综 上所 述 , 用 神 经 网 络对 L色 氨 酸 发 酵过 程 进 运 . 行 筑模 , 作战 的模 型能 够 斗劲 切确 地 模仿 菌 体生 长 、 所 [ ] 黄伟 坤. 品 考验 与 分 析 [ . 京 : 邦轻 工 出书 社 , 7 食 M] 北 中 18 . 9 9 底物花费以及发酵产酸三个经过 的转化 , 锻炼好 的神 经 搜集 对 “ 未知 ” 本进 行 预告 的速 度 速 并 且 精 度 高 , 样 不妨 为L色 氨酸 的发酵生 产过 程提 供动 态模仿 。 - 而 [ ] R H c t isn T erf h akrp gt nN ua e. 8 - eb- e e . hoyo eB cpo aa o erl t Nl t i N w r [ ] ItJ C n,nN ua N tok WahntnD C ok J .h,. ofo er e r , sig . . l w o J n9 9 ( ) 5 3— 0 . u e18 , 1 :9 6 5。

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