微型生物反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的開(kāi)題報(bào)告

微型生物反應(yīng)器測(cè)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的開(kāi)題報(bào)告一、選題背景及意義微型生物反應(yīng)器（MicrobialReactor，MR）是一種新型的微型生物學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，因其實(shí)驗(yàn)占用低，技術(shù)難度低，方便快捷等特點(diǎn)，逐漸在微生物發(fā)酵學(xué)、代謝工程、微生物學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而MR的測(cè)控系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制，對(duì)MR實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展至關(guān)重要。本選題的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)一種基于單片機(jī)的MR測(cè)控系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)MR的同步監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制，從而開(kāi)拓建立MR實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中自動(dòng)化、智能化方面的研究方向，使MR在微生物學(xué)及代謝工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，針對(duì)MR測(cè)控系統(tǒng)的研究，尚屬于發(fā)展的初期階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從兩個(gè)方面展開(kāi)了研究：1.自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的建立：常見(jiàn)的測(cè)控系統(tǒng)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)控制兩種，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力控制精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的控制，而氣動(dòng)控制適用于標(biāo)準(zhǔn)化程度較低的研究中，常用于氣體和溶液的輸送和控制。2.數(shù)據(jù)分析及模型建立：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法主要是基于時(shí)間序列分析和方差分析，普遍存在需要人工干預(yù)、時(shí)間耗費(fèi)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。近年來(lái)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型應(yīng)用得到越來(lái)越廣泛，該模型充分利用了各種因素之間的高復(fù)雜度聯(lián)系，提高了數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性。以上兩種研究方法的結(jié)合，可以提高測(cè)控系統(tǒng)的控制精度和實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，有望為MR的實(shí)驗(yàn)研究提供更加優(yōu)秀的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。三、研究?jī)?nèi)容和方案1.MR測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案本研究的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：（1）硬件平臺(tái)采用STM32單片機(jī)，具有性能高、功耗低、低成本等優(yōu)勢(shì)。（2）測(cè)量部分采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括發(fā)酵罐溫度（T）、pH值、溶氧度（DO）、液面高度以及壓強(qiáng)等參數(shù)。（3）控制部分采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)換檔采用氣動(dòng)控制，控制算法采用PID控制算法。2.MR測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)方案包括：基本功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理和輸出等三個(gè)方面。（1）基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)動(dòng)控制等。（2）數(shù)據(jù)處理和輸出：將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出，使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型建立。（3）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可視化：使用LabVIEW或QT框架實(shí)現(xiàn)MR的可視化和操作接口，提高系統(tǒng)的易用性和操作性。四、預(yù)期的研究成果1.建立一套穩(wěn)定的MR測(cè)控系統(tǒng)，使得MR實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋呖芍貜?fù)性和準(zhǔn)確性。2.通過(guò)數(shù)據(jù)分析模型的建立，分析微生物反應(yīng)特性，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。3.提出在MR領(lǐng)域中提高實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化、智能化的技術(shù)措施，為其他相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。五、擬采用的研究方法和實(shí)驗(yàn)方法1.研究方法：采用理論分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬仿真三者相結(jié)合的方法，同時(shí)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。2.實(shí)驗(yàn)方法：利用生物反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析及控制功能進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。六、進(jìn)度安排1.前期算法研究：2021年10月-2022年1月2.MR測(cè)控系統(tǒng)的建立：2022年2月-2022年6月3.數(shù)據(jù)處理和模型建立：2022年6月-2023年1月4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析：2023年2月-2024年1月5.結(jié)束論文撰寫(xiě)及論文答辯：2024年1月-2024年5月七、參考文獻(xiàn)[1]YuD,ChenL,SunW,etal.AMicrobialFuelCell-BasedBiosensorwithHighSensitivityforMethyleneBlueDetection[J].Sensors(Basel),2018,18(10):3330.[2]DuttaP,MitraK,PalA.Animprovedmethodforthecontinuousfermentationofjerusalemartichoke(HelianthustuberosusL.)bylocalisolateBacillussp.ISTVK9andelucidationofmetabolicpathwayforbioethanolproduction[J].JIndMicrobiolBiotechnol,2019,46(11):1555-1573.[3]LahiveC,HetheringtonCR,KatsiadakiI,etal.Theeffectofenvironmentallyrelevantconcentrationsofamixtureofpharmaceuticalsandpersonalcareproductsonthemetabolicacti