最佳培养基配比方案的研究.docx
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最佳培养基配比方案的研究
最佳培养基配比方案的研究
NO.3樊义祥王智平周康
指导老师:
周斌孙德才
摘要
本文主要讨论关于培养基的最佳配比方案,通过对题中给出的实验数据进行分析,利用数据拟合建立数学模型,从而给出最佳培养基配比方案。
在模型的建立过程中,我们根据题目给出实验数据的特点,分别先固定氮源和碳源来分析碳源的含量和氮源的含量与IFN-γ的产量之间的关系,利用相关数据拟合出它们之间的关系曲线图,再用曲线回归的方法建立它们之间的函数关系,利用最小二乘法求出相应的函数,从而用相对产量来确定最佳的培养基配比方案,其配比为:
碳源C1的含量为2,氮源N2的含量为1.1325,而IFN-γ此时产量为137.603。
这样在模型建立过程中借助曲线图更加直观,简要易懂,并对模型进一步分析改进,使得出的模型更能反映实际情况。
关键词:
培养基拟合曲线回归相对产量抑制
模型假设:
1、只考虑碳源和氮源的种类及含量对IFN-γ(γ-干扰素)的产量的影响,不考虑干扰素中其他成分对其它产量的影响。
2、不考虑培养基的PH值,光照,温度等因素对IFMN-γ的产量的影响。
3、假设碳源和氮源的数量充足,不会出现短缺。
4、不同种类的碳源和氮源在培养时互不影响,只考虑同类碳源或氮源的含量过多时对IFN-γ的产量的抑制作用。
符号系统
y:
IFN-γ(γ-干扰素的产量)
ci:
(i=1,2,3)培养基中第i种碳源的含量。
ni:
(i=1,2,3,4)培养基中第i种氮源的含量。
y’:
相对于碳源ci与氮源ni时IFN-γ的相对产量。
Ci:
(i=1,2,3)第i种碳源。
Ni:
(i=1,2,3,4)第i种氮源。
Zi(i=1,2..8)第i种成份IFN-γ的最大产量。
问题分析
由题目所给出的数据,我们可以看出,当碳源的种类和含量在变化时,总是将氮源N2的含量固定在0.5之处,而当氮源的含量和种类变化时,总是将碳源C1的含量固定在2.0之处,因此,在分析问题时,我们只需考虑某一个碳源或氮源的含量变化时,IFN-γ的产量的变化,即利用所给的数据,通过数据拟合与分析,得出IFN-γ的产量与相应的碳源或氮源的含量的函数关系,即可以用最小二乘法建立曲线回归方程,进一步得出其相应的IFN-γ的相对产量,根据其相对产量,可以确定最佳培养基配比方案。
从数据中我们可以发现:
在氮源N2一定的情况下,当各类碳源含量增加时对IFN-γ的产量的变化的影响:
有增有减,当碳源的含量增加到一定的时候,IFN-γ的产量反而减少;在碳源C1一定的情况下,当各类氮源含量增加时对IFN-γ的产量的变化有影响,有增有减,当碳源的含量增加到一定的时候,IFN-γ的产量反而减少。
模型的建立与求解
模型一:
由假设4可知各类碳源和氮源对IFN-γ的产量互不影响。
因此,我们简单的将表1中的碳源和氮源分成8种不同的生成类型。
如:
No1-5,No6-9,No10-13,No14-16,No17,No18-23No24-28,No29-32.
假设每类碳源和氮源在IFN-γ最大产量中都存在,所以我们通过拟合的曲线在表1中所给的各类物质含量的范围内求出8种配比方案产量的最大值。
并将相应的碳源、氮源及IFN-γ的最大产量相加,再通过整理,即可求出IFN-γ的最大产量及配比方案。
根据题中的给出相关数据,在第1次到第5次实验时,氮源固定在N2且其含量为0.5时,这样我们只考虑碳源C1的含量对IFN-γ的产量的影响,利用表1中相关数据,通过计算机可拟合出C1的含量与IFN-γ的产量的函数关系为:
第一种:
由上式即当c1=2.1174
即Z1=87.86
同理可解出:
第二种IFN-γ的最大产量:
c2=1.5n2=0.5Z2=25.8213
第三种IFN-γ的最大产量:
c3=2.5n3=0.5Z3=20.3346
第四种IFN-γ的最大产量:
n2=0.5Z4=51.6
第五种IFN-γ的最大产量:
c1=2Z5=165.54
第六种IFN-γ的最大产量:
n1=4.5c1=2Z6=200.9325
第七种IFN-γ的最大产量:
n2=n3=5c1=2Z7=76
第八种IFN-γ的最大产量:
n4=0.0468c1=2Z8=31.4138
总最大产量
总需c1含量:
c1总=10.1174
总需c2含量:
c2总=1.5
总需c3含量:
c3总=2.5
总需n1含量:
n1总=4.5
总需n2含量:
n2总=7
总需n3含量:
n3总=5
总需n4含量:
n4总=0.0468
即最大产量的配比方案及最大产量比为:
化简为:
需要说明的是,对于模型一虽然我们可以迅速简单的求解出含各类碳源和氮源IFN-γ的最大产量。
然而并没有考虑各碳、氮源对产量的影响,我们从表1中可看出各类碳源和氮源对IFN-γ的产量都有一定影响,并且从网上找到资料得知碳、氮源不能过多过高,原因是避免产生对产物反应的抑制。
分析表1,从数据表可以看出对于任何一种配比方案都少不了碳源C1或氮源N2,因此我们只需考虑某一类碳源或氮源的含量变化时,IFN-γ的产量的变化情况。
模型二:
由前面的分析可知:
将各段的最大产量及相应的碳源与氮源的含量相加,进而得出培养基中各类碳源与氮源的配比。
这样与实际情况有一定的差距,从表中数据可看出,当某些碳源或氮源含量增加时,对IFN-γ的产量产生抑制作用,而一次将所有各类碳源与氮源一次加入,那么对IFN-γ的产量也会不会有影响呢。
因此,在前面分析的基础上我们对模型一进一步改进,建立模型二。
从表中给出有关数据,我们发现有两种情况培养基的成分只有一种碳源或氮源,但我们查得培养基的相关资料,发现培养革的成分必须包括碳源和氮源两类,因此,我们可认为表中的那两组数据是病态数据,这里我们不考虑它。
一、我们可以先来研究碳源的种类及IFN-γ的产量之间的关系
从给出的实验数据可发现,当碳源C1的含量增加时,IFN-γ的产量先逐步增加,但增加到一定程度后产量反而减少;而碳C2与的含量的增加时,IFN-γ的产量也随之增加,这里说明当碳源的含量增加到一定程度时,反而抑制IFN-γ的产量。
根据上面的分析,我们可用曲线回归方法建立碳源的含量与IFN-γ的产量之间的函数关系。
1.根据给出的实验数据,当氮源固定为N2且其含量固定为0.5时,碳泽C1,C2,C3,的含量的变化与IFN-γ的产量之间的关系,曲线图分别如:
图
(一),图
(二),图(三)所示:
(程序见附录
(一)
2.建立回归曲线方程
设IFN-γ的产量y与碳源的含量C的函数为:
利用最小二乘法,我们下式成立的函数y:
利用MATLABL软件,我们可得到IFN-γ的产量与碳源的含量Ci的函数分别为:
(程序见附录
(一)
………………………………①
………………………………②
………………………………③
由此,我们便得到了,当氮源固定为N2其含量为0.5时,碳源的含量IFN-γ的产量之间的函数关系,利用上述函数关系我们可以进行定量分析,得出在氮源固定时的最佳培养基配比方案。
这时只在如下三个方案:
(c1,0.5),(c2,0.5),(c3,0.5),其中c1,c2,c3为碳源的含量。
这里我们可以根据IFN-γ的相对产量来确定最佳配比方案,我们可取IFN-的相对产量为:
当碳源为C1,C2,C3时,我们根据上面的①,②,③式分别求出其相应的最大相对,再比较其值,选其中相对产量最大的配比方案作为此时的最佳配比方案。
当碳源为C1时,我们求得当其含量c1=0.883时,IFN-的相对产量最大,,此时实际产量为
当碳源为C2时,我们求得当其含量c2=0.2时,IFN-的相对产量最大,,此时实际产量为
当碳源为C3时,我们求得当其含量c3=0.1时,IFN-的相对产量最大,,此时实际产量为
此时,我们可取培养基的最佳配比方案为:
碳源为C1且其含量为:
c1=0.883,氮源为N2,其含量为n2=0.5,IFN-的产量为
模型二:
由前面的分析可知:
将各段的最大产量及相应的碳源与氮源的含量相加,进而得出培养基中各类碳源与氮源的配比。
这样与实际情况有一定的差距,从表中数据可看出,当某些碳源或氮源含量增加时,对IFN-γ的产量产生抑制作用,而一次将所有各类碳源与氮源一次加入,那么对IFN-γ的产量也会不会有影响呢。
因此,在前面分析的基础上我们对模型一进一步改进,建立模型二。
从表中给出有关数据,我们发现有两种情况培养基的成分只有一种碳源或氮源,但我们查得培养基的相关资料,发现培养革的成分必须包括碳源和氮源两类,因此,我们可认为表中的那两组数据是病态数据,这里我们不考虑它。
一、我们可以先来研究碳源的种类及IFN-γ的产量之间的关系
从给出的实验数据可发现,当碳源C1的含量增加时,IFN-γ的产量先逐步增加,但增加到一定程度后产量反而减少;而碳C2与的含量的增加时,IFN-γ的产量也随之增加,这里说明当碳源的含量增加到一定程度时,反而抑制IFN-γ的产量。
根据上面的分析,我们可用曲线回归方法建立碳源的含量与IFN-γ的产量之间的函数关系。
1.根据给出的实验数据,当氮源固定为N2且其含量固定为0.5时,碳泽C1,C2,C3,的含量的变化与IFN-γ的产量之间的关系,曲线图分别如:
图
(一),图
(二),图(三)所示:
(程序见附录
(一)
2.建立回归曲线方程
设IFN-γ的产量y与碳源的含量C的函数为:
利用最小二乘法,我们下式成立的函数y:
利用MATLABL软件,我们可得到IFN-γ的产量与碳源的含量Ci的函数分别为:
(程序见附录
(一)
………………………………①
………………………………②
………………………………③
由此,我们便得到了,当氮源固定为N2其含量为0.5时,碳源的含量IFN-γ的产量之间的函数关系,利用上述函数关系我们可以进行定量分析,得出在氮源固定时的最佳培养基配比方案。
这时只在如下三个方案:
(c1,0.5),(c2,0.5),(c3,0.5),其中c1,c2,c3为碳源的含量。
这里我们可以根据IFN-γ的相对产量来确定最佳配比方案,我们可取IFN-的相对产量为:
当碳源为C1,C2,C3时,我们根据上面的①,②,③式分别求出其相应的最大相对,再比较其值,选其中相对产量最大的配比方案作为此时的最佳配比方案。
当碳源为C1时,我们求得当其含量c1=0.883时,IFN-的相对产量最大,,此时实际产量为
当碳源为C2时,我们求得当其含量c2=0.2时,IFN-的相对产量最大,,此时实际产量为
当碳源为C3时,我们求得当其含量c3=0.1时,IFN-的相对产量最大,,此时实际产量为
此时,我们可取培养基的最佳配比方案为:
碳源为C1且其含量为:
c1=0.883,氮源为N2,其含量为n2=0.5,IFN-的产量为
二、下面我们来研究氮源的种类及含量变化与IFN-的产量之间的关系
从题中给出的实验数据可看出,当碳源固定为C1且其含量固定为c1=2时,IFN-的产量随着氮源N1的含量的增加而先逐渐减少,再逐步增加,最后又减少;而当氮源N2,N3的含最增加时,IFN-的产量一直都在增大,氮源N4的含量增加时,IFN-的产量却先增加再减少,最后又增加,这说明不同的的氮源的种类的含量的变化,IFN-对的产量的影响是不同的。
这里我们和前面一样,用曲线回归方法建立氮源的含量与IFN-的产量之间的函数关系
1、根据给出的有关数据,当碳源固定以C1且其含量为2时,氮源N1,N2,N3,N4的含量与IFN-的产量之间的关系曲线图,我们可利用计算机拟合出来,分别如图(四),图(五),图(六),所示。
(程序见附录
(二)。
根据以上的分析可将N1、N4的含量与IFN-的产量的关系图拟合成高四次,三次曲线。
即N2,N3与IFN-的产量关系可拟合成二次曲线。
2.建立回归曲线方程
从氮源N1的含量与IFN-的产量的关系,我们可将IFN-的产量与N1的含量n1的函数为:
利用最小二乘法求下式成立的函数:
利用MATLAB软件,我们得到产量与n1的函数为:
(程序见附录
(二)
④
同样设IFN-的产量与N2,N3的含量n的函数为:
利用最小二乘法,得到与n之间的函数为:
⑤
设IFN-的产量与N4的含量n4的函数为:
利用最小二乘法,得到与n4之间的函数为:
⑥
此时,便得出了当碳源固定时,氮源的含量与IFN-γ的产量之间的函数关系。
这样利用上面的函数关系,我们可以进一步分析,得出在碳源固定的情况下的最佳培养基配比方案。
这时有以下三个配比方案(2,n1),(2,n),(2,n4)其中n1,n,n4分别为氮源N1,N2和N3,N4的含量。
这里,我们同样根据IFN-γ的相对产量来确定在碳源固定时的最佳配比方案。
当氮源为N1,N2,N3,N4时,我们根据上面的函数④、⑤、⑥分别求出其相应的最大相对产量,及此时各类氮源的含量和实际的IFN-的产量,其具体数据如下:
n1=0.8946,43.881,=127.006
n2=n3=n=5,6.3456,=76.000
n4=0.0459,15.35.9,=31.4071
通过比较上面数据,我们可得到在碳源固定的情况下的最佳培养基配比方案为:
碳源为C1其含量c1=2,氮源为N1其含量为n1=0.8946,
三、结果分析
在前面当氮源固定为N2其含量为0.5时的最佳配比方案为:
碳源为C1,其含量为c1=0.883,氮源为N2其含量为n2=0.5
IFN-的产量为=60.7518,这里若同时改变碳源与氮源的含量其的产量也会随之改变。
这里,我们将碳源C1的含量必为c1=2,则氮源的含量与IFN-的产量也相应发生变化,通过计算可得:
氮源N2的含量为n2=1.1325
即IFN-的产量为y=137.03
此时,IFN-的相对最大产量
将此时的数据与当碳源固定为C1其含量为c1=2时的数据进行比较,可看出,此时的最大相比产量稍大一些,因此最佳培养基配比方案,我们可取为:
碳源为C1其含量为c1=2,氮源为N2其含量为n2=1.1325,即IFN-的产量y=137.603
即配比方案为:
c=2,n2=1.1325,y=137.603
四、模型的改进
根据培养基的有关知识可知:
培养基的主要成分包括:
碳源、氮源、矿物质,这三种成分的改变对IFN-γ的产量都会产生影响,特别是碳源与氮源的种类的变化及含量对IFN-γ的产量有较大的影响,我们只考虑了一类碳源与一类氮源配比时,IFN-γ的产量的变化。
如果我们将各类碳源与各类氮结合起来,一起同时考虑它们与IFN-γ的产量的关系,利用相关数据建立IFN-γ的产量与各类碳源和氮源之间的多元函数关系,这样可能会得到更准确的结果,得出更优的培养基配比方案。
模型的评价与推广
一、型的评价
1、型的主要优点有:
①在模型的建立与求解过程中,由浅入深,先将考虑简单的情况,将问题分为八种情况讨论,再进一步改进,考虑其中一固定另处一个变化与IFN-γ的产量关系,这样思路清晰简要易懂。
②利用计算机工具,对数据进行分析,拟合出各种关系曲线图,这样使问题的求解过程更加直观,容易读懂,
③利用MATLAB软件,结合曲线回归方法,拟合出各种碳源和氮源的含量的变化与IFN-γ的产量之间的函数关系,利用最小二乘法得出其相应的函数,使问题更具一般性,更能反映实际情况。
④用相对产量来确定最佳的培养基配比方案,模型更符合实际。
2、模型的主要不足有:
①在问题的分析及模型建立求解过程中,只考虑某一类碳源或氮源在另一氮源或碳源固定时的变化对IFN-γ的产量的影响,这样使得出来的结果有一定的缺陷。
②在对数据进行处理时,对表1中培养基的成分只有氮源N2或只有碳源C1的两种情况没有考虑,这样对模型的结果有一定的影响。
③对问题进行分析时,分成两段来考虑,即分别将碳源或氮源固定来考虑,没有整体进行分析,这样与实际情况有一定差异。
二、模型的推广
该模型不仅可应用于培养基的配比问题,还可以推广到实际生活中的任何有关物质的配比问题,如:
医学上药物的制备,各成份的配比问题;化学工业上各种化学制品的溶液等的配比问题;另外生活中我们所用的各种日用品如香皂,洗发水等在配制时的配比问题等等,此模型可广泛应用于实际生活中的许多方面。
参考文献:
[1]胡守信李柏年基于MATLAB的数学实验科学出版社2004-6
[2]徐全智杨晋浩数学建模高等教育出版社2003-7
[3]中国化工技术网
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