基于浮點編碼的遺傳算法優(yōu)化模擬移動床色譜分離木糖醇母液

1、!""(年,月Z1""(3!色譜!"#$%&%()*$+,("*(.+/(*+"!9+8!$C98(!"."!"&基于浮點編碼的遺傳算法優(yōu)化模擬移動床色譜分離木糖醇母液蔡宇杰$，丁彥蕊$，張大兵!，石貴陽(，須文波%（；$8江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無錫!$%"(.!8江蘇漢邦科技有限公司，江蘇淮安!(""$江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇無錫!；江南大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇無錫!）(8$%"(.%8$%"(.摘要：開發(fā)了

2、一種基于浮點編碼遺傳算法的模擬移動床色譜優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法中將歸一化的生產(chǎn)強度取最大值作為目標函數(shù)，同時將純度的!次方作為罰函數(shù)。運算過程中浮點編碼遺傳算法的適度值由模擬移動床色譜的穩(wěn)態(tài)模型求得。為了保證遺傳算法每一代的個體均滿足模擬移動床色譜本身的約束條件，算術(shù)雜交和完全非均勻變異被用作演化算子。采用該算法很容易得到模擬移動床色譜分離過程中非線性條件下的最優(yōu)條件。這種優(yōu)化算法被應(yīng)用于木糖醇母液的模擬移動床色譜，結(jié)果表明當(dāng)罰函數(shù)指數(shù)!值由小到大變化時，可以得到產(chǎn)品純度由低到高的最優(yōu)分離條件。進一步比較了當(dāng)!值為!實驗結(jié)果與仿真值相吻合，木糖"時的實驗值與仿真值后發(fā)現(xiàn)，和木糖醇的純度

3、分別達到&&,$<和&&!.<。關(guān)鍵詞：遺傳算法；浮點編碼；優(yōu)化；模擬移動床色譜；木糖醇母液中圖分類號：=.,-文獻標識碼：>文章編號：（）$"""#-$(!""("(#"!".#"%!#$%$&#$()(*+(),$#$()-(*.$%/0#1,2(3$)1,+67(%#(76*(7"454"8.17#$)(#6179$/$,(*;0$#(0<$#6=10+(,1,>1)1#$?0(7$#6%-"42:8

4、4$，$，!(%?>A42*BCDA1:E42FG>CDB1H2:JGD421:KLM*:H95I，3I，（"#$%&(+,-%&!($0,&-1!23!,4-5!+6-17+,09+:"<=>，?&+!3；:#+3!70)*./，./，8.A3!B!$%+-!%-NC-%&!(#D,E，A03+3!:=<<"，?&+!3；=#F-3B13,1./?/D/G!E07,1+3(*+,-%&!($0,&-1!23!,4-5!+6-17+,09+:"<=&

5、gt;，?&+!3；)./，./，8;#$%&(G!1H3,+!C-%&!($0,&-1!23!,4-5!+6-17+,09+:"<=>，?&+!3）)./，./，8：A-#7?#>:*OO*7P2Q*RPE1P*1R*S9:E*1+79S*SI*:*P271+9E2PT0RU1RS*Q*+9*SP99P202W*PT*I3HIVVR9H*7P29:9*E1P2:79:S2P29:R9OR204+1P*S09Q2:*S7TE901P9E1T8)T*9P202W1P29:1+9E2PT0VIIHIV3VI5，O4:7P29:U1

6、RPT*:9E01+2W*SVE9S47P29:2:P*:R2P8:1SS2P29:PT*!*X9:*:P9OV4E2P1R4R*S1R3V3U*:1+PO4:7P29:8)T*O2P:*RR9OE*1+79S*SI*:*P271+9E2PT0O2P:*RRU1R71+74+1P*SU2PTRP*1S9S*+V3I309OR204+1P*S09Q2:*S7TE901P9E1T8:9ES*EP9R1P2ROT*79:RPE12:79:S2P29:R9OR204+1P*SIHIV33P，09Q2:*S7TE901P9E1TPT*1E2PT0*P277E9RR9Q*E1:S790+*P*+#:9:4

7、:2O9E004P1P29:U*E*4R*SIHIV3V31RPT*9*E1P9ER9OPT*E*1+79S*SI*:*P271+9E2PT08)T*V1E10*P*ER9OE*1+79S*SI*:*P271+9E2PT0VII，U*E*94+1P29:R2W*."E9H1H2+2PO7E9RR9Q*E%"<，E9H1H2+2PO04P1P29:$"<，1:SI*:*E1P29:VVV39V39，$"""E*R*7P2Q*+8M2PTPT2R1+9E2PT0，2PU1R*1R9O2:SPT*9P202W1P29:79:S2

8、P29:9OR204+1P*SV3I3PV，09Q2:*S7TE901P9E1TR*1E1P2:E9E*RR4:S*E:9:+2:*1E79:S2P29:8)T*:PT2R9P202W1P29:1+#IHIV3VIVIV9E2PT0U1R4R*SP99P202W*PT*R*1E1P29:79:S2P29:9O09PT*E+242S9OX+2P9+U2PTR204+1P*S09Q2:IVVY3IH*S7TE901P9E1T8PU1RO94:SPT1PPT*9P202W*SR*1E1P29:79:S2P29:R9OS2OO*E*:P4E2PE9S47PRIV3VVV3V!8MT*:!Q1+4*7T

9、1:*SOE90,794+SH*9PP*:H7T1:2:PT*Q1+4*9O*:1+PO4:7P29:79*OO272*:PI3IIV3I，P9-"PT*V4E2POE9S47PR7T1:*SOE90&%;.,<P9&&-.<U2PT9P202W*S9*E1P2:79:S2P29:R839VIVVI>:SPT*7904P*E*04+1P*SE*R4+PR1:SPT*X*E20*:P1+E*R4+PRU*E*7901E*SUT*:PT*!Q1+4*#VVV41+RP9!"8)T*E*R4+PRRT9U*SPT1PPT*E*792:72

10、S*:P8)T*4E2P2*R9OX+2P9+1:SX+9R*OE90*X#Y3UV33*E20*:P1+E*R4+PRU*E*&&,$<1:S&&!.<，E*R*7P2Q*+8VV3：I；B1(7,-*:*P271+9E2PT0；E*1+79S*S9P202W1P29:R204+1P*S09Q2:*S7TE901P9E1TIVIHIV38<09PT*E+242S9OX+2P9+Y3模擬移動床（J）色譜分離技術(shù)是!Z"世紀."$"(年代發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化分離技術(shù)，具有分離能力強、設(shè)備結(jié)構(gòu)小、投資成本低、便于自動控

11、制和特別有利于分離熱敏性及難以分離的物系等優(yōu)收稿日期：!""!#$!#!%作者簡介：蔡宇杰，男，博士，：（），：$&(年生，)*+",$",-.$.(/#012+42*712!*012+879087:8356第2期蔡宇杰等：基于浮點編碼的遺傳算法優(yōu)化模擬移動床色譜分離木糖醇母液點，在制備色譜技術(shù)中最適合用于進行連續(xù)性大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。模擬移動床的操作及優(yōu)化非常復(fù)雜，許多學(xué)者對其優(yōu)化過程進行了深入的研究。其中最為著名的-是!"#$%&等!(的三角形理論。)*&+,等則提!"$模擬移動床色譜模型參數(shù)./模型中最重要

12、的參數(shù)是吸附等溫線，我們曾對此進行了深入的分析，結(jié)果表明木糖和木糖醇在很高的濃度下混合，其吸附等溫線仍然是線性的（木糖!J木糖醇!J/其中!是固/B-/("，B4/"，定相內(nèi)的組分濃度，；進料"是液相內(nèi)的組分濃度）濃度：木糖醇2木糖./,1，/,1；?5675%準數(shù)K.。其他模型參數(shù)由設(shè)；傳質(zhì)系數(shù)%：#$：3/29&+備本身的尺寸決定。出了基于塔板理論的優(yōu)化方法。三角形理論雖然直觀地給出了最優(yōu)化的過程，然而它是基于理想狀態(tài)下的方法，因此其優(yōu)化結(jié)果與實際操作有很大的誤差，尤其當(dāng)柱效較低、切換速度較快時誤差更大。基于塔板理論的優(yōu)化方法同樣是理想狀態(tài)下的，且僅限

13、于兩組分的分離過程。另外，這些方法都僅能給出理想狀態(tài)下產(chǎn)品純度為./0時的最優(yōu)化結(jié)果，這顯然是不科學(xué)的，許多產(chǎn)品并不需要這么高的純度，純度越高生產(chǎn)成本也將越高。木糖醇是一種五碳糖醇，在商業(yè)應(yīng)用中具有較高的附加值。目前國內(nèi)木糖醇生產(chǎn)廠家每生產(chǎn).%結(jié)晶木糖醇將產(chǎn)生.%母液，結(jié)晶母液的主要成分為木糖（./,1）和木糖醇（2/,1）。母液一般以/元%的價格作為甘油的代用品廉價出售，而純木糖醇售價一般為3萬元%左右。因此，若將木糖醇母液完全分離，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。針對當(dāng)前存在的這些問題，本文提出了基于浮點編碼遺傳算法4的優(yōu)化方法，將遺傳算法與模擬移動床模型相結(jié)合，對模擬移動床色譜分離木糖醇過程進行了

14、優(yōu)化。遺傳算法（,5+5%&6"7,$8&%*9:）是基于生物進化理論的原理發(fā)展起來的一種廣為應(yīng)用的、高效的隨機搜索與優(yōu)化的方法，近幾年來，主要在復(fù)雜優(yōu)化問題求解和工業(yè)工程領(lǐng)域應(yīng)用，取得了一些令人信服的結(jié)果。材料與方法"!原料為了保證實驗的精確性，文中用到的木糖醇母液均由純的木糖和木糖醇配制；色譜分離固定相為大孔苯乙烯骨架螯合鈣樹脂（粒徑3/!2/"9，浙江爭光樹脂有限公司提供）。流動相為去離子水。"#實驗設(shè)備模擬移動床制備色譜分離系統(tǒng)（德國;+"<58公司，)=>?)4.型），配置-支2/99A.99&BC

15、B色譜柱，每個區(qū)3支柱，柱的孔隙率!為/B24。用個衡流泵（;3D/.，;+"<58）分別控制進出料和各個區(qū)內(nèi)的流量。整個系統(tǒng)用E"7F5)*8$9軟件進行計算機控制和采樣。樣品分析采用G,&75+%公司./系列高效液相色譜儀，配有糖分析色譜柱（=*$C5H=<,"8=I./.D/99AB99&BCB）和G,&75+%折光檢測儀。#結(jié)果與討論#"!優(yōu)化過程的建立#"!"!模擬移動床色譜分離過程分析如圖.所示，模擬移動床色譜分離裝置分為個區(qū)，有樣品進口和洗脫液進口各.個，以及3個產(chǎn)品出口。在運行過程中

16、，各物料的進出口周期性地變化，用來模擬固定相的移動，所以稱為模擬移動床。也可以將該過程看作進出口不動，而固定相是與流動相相反的方向移動。在這個過程中，固定相的流速&=是保持不變的，通過控制#!$區(qū)的流速&.，&3，&2，&，使得混合物分開。3!3"-+色譜第"!卷!"#"!優(yōu)化問題的描述優(yōu)化變量為!，"，$及與切換速率相對!#!；目標函數(shù)為歸一化的生產(chǎn)強應(yīng)的固定相流速!%度，取最大值；同時將純度的"次方作為罰函數(shù)：#$%*#$%"（#&(&%#&)）%*)（）其

17、中#$指生產(chǎn)強度；#&指產(chǎn)品純度。根據(jù)不同的產(chǎn)品純度要求，"值可以有不同的取值。由模擬移動床內(nèi)液流的方向和分離原理+可知各流速之間有如下的約束條件：!"；!#!"；!#!$；!$"#"$模擬移動床色譜分離木糖醇母液的優(yōu)化過程遺傳算法傳統(tǒng)上是使用二進制編碼，但將其用于處理多維、高精度數(shù)值問題時會產(chǎn)生一些障礙。同時，當(dāng)處理帶有約束的問題時，二進制編碼的雜交和變異算子很難使后代滿足約束條件。采用浮點編碼的遺傳算法在直覺上更靠近問題空間，更容易設(shè)計并入與問題有關(guān)的其他算子，這對于處理非常規(guī)、與問題有關(guān)的約束是非常必要的,。圖"描述了該

18、優(yōu)化過程的主要步驟。首先在一定的取值范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生一組初始種群，!，!"，#，!$的取值范圍為-.-!/-0&&12，這些取值范圍均由模擬移動床設(shè)備的運行能力決定。!%的取值范圍為!#/0&&12。"(4*"*4*!(4*5-#)(4*5,（%)(）3+)(其中#)(5-，)/(/指柱長；-是傳質(zhì)系數(shù)；*是歸一化柱長；"是液相與固相的流速比；)為下標，是組分編號；(為下標，是模擬移動床區(qū)號。應(yīng)用這組方程需滿足初始條件：05-；%)(5+)(5-和邊界條件：*5-時，%)(3#，(4*5%6)(4*5-*5!時，4*5-，+

19、)(5+)（(*!）*5-在分離過程中每區(qū)的進口和出口還需滿足以下的物料平衡式：%)(5%)（(3!）*5!(5"，$%56)!)$*5!%!"%)"6)#5*!%!#其中，%)(指流動相內(nèi)組分濃度。%6)(指每區(qū)入口的組分濃度。!6指進料流速。再由競爭性選擇法!$進行選擇，然后進行算術(shù)雜交,和完全非均勻變異,，最后判斷是否達到最大代數(shù)，若不是則重復(fù)上述過程，若是則終止。這過程中經(jīng)雜交與變異產(chǎn)生的后代必須滿足約束條件。"!優(yōu)化結(jié)果采用該方法對模擬移動床色譜分離木糖醇母液過程進行了優(yōu)化。表!為遺傳算法的運行參數(shù)。表為優(yōu)化結(jié)果。表#基于浮點編碼的遺傳算法運行

20、參數(shù)7389*#:3531*+*56./+-*5*39,.;*;*4*+&,39.5&+-178&9:98;<=97>?=<:1>21A9/-78>BB1<1:C>608>>D98$-E78>BB1<1:C>6&=:1>2!-EF9298:1>2!-從表"可以看出，當(dāng)"值由G增大到+-時，產(chǎn)品純度也由,$./E增加到了,.+E左右。很顯然通過控制"值，就可以得到不同純度時的最優(yōu)分離工藝條件。表"中數(shù)據(jù)精度高達H位有效數(shù)字，這是遺傳算法本身的

21、運算結(jié)果，對于實際的應(yīng)用則無需這么高的精度。圖#反映了罰函數(shù)指數(shù)"與進樣流量的關(guān)系。從圖#可以看出，當(dāng)"增大時，產(chǎn)品純度增大，而這是以減小進樣流量為代價的。!"第.期蔡宇杰等：基于浮點編碼的遺傳算法優(yōu)化模擬移動床色譜分離木糖醇母液表!優(yōu)化結(jié)果"#$%&!"&(*+,+-#*+(./&01%*0)!"#$%&!9(<(9-<-9.<.9/</99<=<:<?<"(）（)*+,9:;<-=(=-?;9/9/?-(;?./>(?;9>

22、:=.(:;<=9=>(9;9?=9(-9;(-.-(/;<?/=.(.;.9/9<(-;>?=9?(-;.=?>>(;>:/.(;.<:/<"-）（)*+,>9-?9<9:;-(?-9.=;.<.(>9;:=-/?9;/99?>=9;(:?=/</;>-/?9./;?.:.?/;=:?></;9?(9:>/;/-<-=?/;->/-./;(9.:/>".）（)*+,(=;<=(:9(;<99=<>/</-&

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