光合细菌絮凝与收集相关问题的动力学建模与理论和数值研究

With the rapid development of life sciences, studies have found some important photosynthetic fungi, such as Chlorella and Rhodopseudomonas palustris. These photosynthetic fungi are rich in protein, highly unsaturated fatty acids, carotenoids, lutein and various vitamins, and they can enhance human immunity, and hence have a wide range of valuable application in health, medicine, environmental engineering, biochemical engineering and other fields. Therefore, studying the dynamics related to the mechanisms of flocculation and extraction methods of the photosynthetic bacteria has an important application value. On the other hand, since the density of photosynthetic bacteria by the method of anaerobic light culture is relatively low, and therefore, to find efficient methods to collect photosynthetic bacteria becomes very important in applications. This research project is mainly based on dynamic method to study growth mechanisms of photosynthetic bacteria and evaluation of the effect of flocculants. This provides necessary theoretical basis for collection and application of photosynthetic bacteria. This research project contains includes three parts. (1) Dynamic models describing flocculation and collection of photosynthetic bacteria, as well as theoretical and numerical analysis of the models. (2) Optimal control strategy in culture of photosynthetic bacteria and production of lycopene. (3) Dynamic models describing co-culture of Chlorella and photosynthetic bacteria , as well as theoretical and numerical analysis.

随着生物科学的迅速发展，发现一些重要的光合菌类，如小球藻与沼泽红假单胞均等，由于富含丰富的蛋白质、高度不饱和脂肪酸、类胡萝卜素、叶黄素和多种维生素等, 以及具有增强人体免疫的功能作用等，在人类健康、医药卫生、环境工程、生化工程等领域具有广泛的应用价值。另一方面，由于厌氧光照培养获得的光合细菌细胞浓度比较低, 因此，如何高效收集培养物中的光合细菌细胞是限制其应用的主要瓶颈之一。 本研究项目主要采用动力学方法研究光合细菌的培养和增长机制、絮凝剂的消耗与菌类絮凝效果的综合评价等问题，这对沼泽红假单胞菌细胞等光合细菌的收集与产业化提供必要的理论依据。主要内容包括三部分：(1) 沼泽红假单胞菌的絮凝与收集相关问题的动力学建模与理论和数值分析；(2) 沼泽红假单胞菌的异养培养与番茄红素生产的优化控制策略问题；(3) 沼泽红假单胞菌与小球藻共培养相关问题的动力学建模与理论和数值分析。

本项目主要研究了以下几方面问题:..1．光合细菌的连续培养、絮凝与收集相关问题的动力学建模. 众所周知，一些重要的光合细菌，如小球藻与沼泽红假单胞菌等，在人类健康、医药卫生、环境工程、生化工程等领域具有广泛的应用价值。针对光合细菌培养过程中获得的菌类浓度比较低、难以高效收集等关键问题，本研究项目主要采用微分方程动力学建模等方法，研究了两种不同情况下微生物絮凝和提取的机理，以及相应的动力学行为。我们研究的两种主要情况为：一是采用物理办法投放絮凝剂到培养皿中，主要优点是实施过程简单、易于实际控制。二是采用微生物自然生成絮凝剂、实现微生物的絮凝，其主要优点在于具有良好的环保性、产生的毒性少等。动力学模型的理论分析发现，构建的动力学模型平衡态可呈现前向与后向分支、平衡态呈现双稳定，存在Hopf分支等丰富的动力学行为。这部分研究结果具有原创性，对实际问题的应用可以提供可行的理论参考依据。..2．微生物连续培养与环境问题相关动力学建模. 本研究项目针对一些典型的微生物连续培养动力学模型，深入研究了时间与状态脉冲导致系统的持久性、时间滞后产生系统出现混沌行为的机理与混沌控制的策略，以及微生物扩散导致系统出现行波解等。这方面的成果揭示了在微生物培养过程中脉冲控制策略的有效性、时间滞后、扩散等因素控制的重要性。..3．扩散、时间滞后等因素导致病毒感染与免疫系统产生行波解与周期振荡的机理研究. 本研究项目中首次研究了细胞焦亡与扩散因素可以导致病毒感染与免疫系统出现行波，以及图灵不稳定性，给出了最小波速的估计。基于传统的病毒感染与免疫动力学模型，首次考虑了感染细胞诱导的未感染细胞的死亡，以及病毒感染过程中某些蛋白参与的关键作用等因素，获得一些在免疫治疗中有参考意义的理论结果。