MATLAB生物化工计算与模拟

第1章 MATLAB基础 1

1.1 MATLAB工作环境 1

1.1.1 MATLAB窗口 1

1.1.2 M文件的编辑调试环境 3

1.1.3 在线帮助 5

1.2 数学运算 6

1.2.1 基础运算 7

1.2.2 数组及运算 8

1.3 绘图功能 12

1.3.1 基本图形 12

1.3.2 对数坐标图形 19

1.3.3 函数绘图 19

1.3.4 双轴绘图 20

1.4 数据导入与导出 21

1.4.1 数据导入 21

1.4.2 数据导出 25

第2章 线性与非线性方程（组）的应用 27

2.1 线性方程组 27

2.1.1 细胞反应的元素衡算 28

2.1.2 细菌共存数的确定 28

2.1.3 多级逆流萃取理论级数的确定 29

2.2 非线性方程（组） 32

2.2.1 应用基础 32

2.2.2 汽液平衡组成及泡点温度的确定 36

2.2.3 分批培养过程细胞浓度的确定 37

2.2.4 换热器组温度的优化 38

2.2.5 传热过程流量的调节 40

第3章 微分模型的应用 42

3.1 微分的解析解 42

3.1.1 微分方程与微分函数的解析解 42

3.1.2 连续搅拌反应器最大稀释率的确定 45

3.1.3 酶底物抑制动力学方程及最佳底物浓度的确定 47

3.1.4 发酵培养基最佳配方的确定 48

3.2 微分方程数值解 50

3.2.1 应用基础 50

3.2.2 细胞生长动力学模拟 51

3.2.3 细胞分批培养过程动力学模拟 52

3.2.4 有/无菌体死亡的细胞生长与基质消耗的动力学模拟 54

3.2.5 恒速流加细胞分批培养过程的动态模拟 60

第4章 积分模型的应用 64

4.1 符号积分 64

4.1.1 应用基础 64

4.1.2 均相酶促反应时间的确定 66

4.2 数值积分 67

4.2.1 应用基础 67

4.2.2 均相酶促反应时间的确定 69

4.2.3 乳糖在平推流反应器中水解的A/F的确定 69

4.2.4 高浓度气体吸收传质单元数的计算 70

第5章 数据插值与拟合 73

5.1 数据插值 73

5.1.1 一维与二维插值 73

5.1.2 折光率与乙醇质量分数的估算 76

5.1.3 发酵时间与青霉素浓度的估算 77

5.2 数据拟合——曲线拟合工具箱（Curve Fitting Toolbox）的应用 79

5.2.1 Curve Fitting Toolbox的交互环境 79

5.2.2 多项式拟合——反应物分压与反应时间关系模型 80

5.2.3 有理式拟合——无抑制的细胞生长动力学模型 81

5.2.4 幂函数拟合——强制对流传热关联式及反应级数的确定 82

5.2.5 自定义方程拟合——有/无抑制剂的酶反应动力学模型 88

第6章 优化工具箱（Optimization Toolbox）的应用 93

6.1 线性规划 93

6.1.1 无约束与有约束线性规划 93

6.1.2 污水系统处理费用最小值的确定 96

6.2 非线性规划 97

6.2.1 无约束与有约束非线性规划 97

6.2.2 保温层厚度的优化 100

6.2.3 发酵生产年利润最大化的确定 103

6.3 优化工具箱图形用户界面（GUI） 105

6.3.1 GUI优化工具的启动与使用 105

6.3.2 无约束优化（fminunc/fminsearch求解器） 106

6.3.3 有约束优化（fmincon求解器） 107

6.3.4 线性规划划（linprog求解器） 108

6.3.5 非线性最小二乘优化（lsqnonlin求解器） 108

6.3.6 遗传算法优化（ga求解器） 108

6.3.7 遗传算法优化发酵过程体积溶氧传递系数（ga求解器） 110

第7章 细胞反应动力学模型参数的估计 114

7.1 细胞反应动力学研究方法 114

7.2 洋葱伯克霍尔德菌分批发酵动力学研究 114

7.2.1 模型建立与模型参数估计方法 115

7.2.2 模型参数初始值的估计 116

7.2.3 动力学模型参数的估计 120

第8章 生物系统模拟工具（SimBiology）的应用 123

8.1 酶反应动力学模拟 123

8.1.1 可逆酶反应动力学模拟 123

8.1.2 有抑制剂的酶反应动力学模拟 126

8.2 细胞反应动力学模拟 129

8.3 细胞反应模型参数的估计 132

参考文献 136