基于浮点编码的遗传算法优化模拟移动床色谱分离木糖醇母液

1、!""(年,月Z1""(3!色谱!"#$%&%()*$+,("*(.+/(*+"!9+8!$C98(!"."!"&基于浮点编码的遗传算法优化模拟移动床色谱分离木糖醇母液蔡宇杰$，丁彦蕊$，张大兵!，石贵阳(，须文波%（；$8江南大学生物工程学院，江苏无锡!$%"(.!8江苏汉邦科技有限公司，江苏淮安!(""$江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江苏无锡!；江南大学信息工程学院，江苏无锡!）(8$%"(.%8$%"(.摘要：开发了

2、一种基于浮点编码遗传算法的模拟移动床色谱优化方法。该优化方法中将归一化的生产强度取最大值作为目标函数，同时将纯度的!次方作为罚函数。运算过程中浮点编码遗传算法的适度值由模拟移动床色谱的稳态模型求得。为了保证遗传算法每一代的个体均满足模拟移动床色谱本身的约束条件，算术杂交和完全非均匀变异被用作演化算子。采用该算法很容易得到模拟移动床色谱分离过程中非线性条件下的最优条件。这种优化算法被应用于木糖醇母液的模拟移动床色谱，结果表明当罚函数指数!值由小到大变化时，可以得到产品纯度由低到高的最优分离条件。进一步比较了当!值为!实验结果与仿真值相吻合，木糖"时的实验值与仿真值后发现，和木糖醇的纯度

3、分别达到&&,$<和&&!.<。关键词：遗传算法；浮点编码；优化；模拟移动床色谱；木糖醇母液中图分类号：=.,-文献标识码：>文章编号：（）$"""#-$(!""("(#"!".#"%!#$%$&#$()(*+(),$#$()-(*.$%/0#1,2(3$)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*&&,$<1:S&&!.<，E*R*7P2Q*+8VV3：I；B1(7,-*:*P271+9E2PT0；E*1+79S*S9P202W1P29:R204+1P*S09Q2:*S7TE901P9E1TIVIHIV38<09PT*E+242S9OX+2P9+Y3模拟移动床（J）色谱分离技术是!Z"世纪."$"(年代发展起来的一种现代化分离技术，具有分离能力强、设备结构小、投资成本低、便于自动控

11、制和特别有利于分离热敏性及难以分离的物系等优收稿日期：!""!#$!#!%作者简介：蔡宇杰，男，博士，：（），：$&(年生，)*+",$",-.$.(/#012+42*712!*012+879087:8356第2期蔡宇杰等：基于浮点编码的遗传算法优化模拟移动床色谱分离木糖醇母液点，在制备色谱技术中最适合用于进行连续性大规模工业化生产。模拟移动床的操作及优化非常复杂，许多学者对其优化过程进行了深入的研究。其中最为著名的-是!"#$%&等!(的三角形理论。)*&+,等则提!"$模拟移动床色谱模型参数./模型中最重要

12、的参数是吸附等温线，我们曾对此进行了深入的分析，结果表明木糖和木糖醇在很高的浓度下混合，其吸附等温线仍然是线性的（木糖!J木糖醇!J/其中!是固/B-/("，B4/"，定相内的组分浓度，；进料"是液相内的组分浓度）浓度：木糖醇2木糖./,1，/,1；?5675%准数K.。其他模型参数由设；传质系数%：#$：3/29&+备本身的尺寸决定。出了基于塔板理论的优化方法。三角形理论虽然直观地给出了最优化的过程，然而它是基于理想状态下的方法，因此其优化结果与实际操作有很大的误差，尤其当柱效较低、切换速度较快时误差更大。基于塔板理论的优化方法同样是理想状态下的，且仅限

13、于两组分的分离过程。另外，这些方法都仅能给出理想状态下产品纯度为./0时的最优化结果，这显然是不科学的，许多产品并不需要这么高的纯度，纯度越高生产成本也将越高。木糖醇是一种五碳糖醇，在商业应用中具有较高的附加值。目前国内木糖醇生产厂家每生产.%结晶木糖醇将产生.%母液，结晶母液的主要成分为木糖（./,1）和木糖醇（2/,1）。母液一般以/元%的价格作为甘油的代用品廉价出售，而纯木糖醇售价一般为3万元%左右。因此，若将木糖醇母液完全分离，将产生巨大的经济效益。针对当前存在的这些问题，本文提出了基于浮点编码遗传算法4的优化方法，将遗传算法与模拟移动床模型相结合，对模拟移动床色谱分离木糖醇过程进行了

14、优化。遗传算法（,5+5%&6"7,$8&%*9:）是基于生物进化理论的原理发展起来的一种广为应用的、高效的随机搜索与优化的方法，近几年来，主要在复杂优化问题求解和工业工程领域应用，取得了一些令人信服的结果。材料与方法"!原料为了保证实验的精确性，文中用到的木糖醇母液均由纯的木糖和木糖醇配制；色谱分离固定相为大孔苯乙烯骨架螯合钙树脂（粒径3/!2/"9，浙江争光树脂有限公司提供）。流动相为去离子水。"#实验设备模拟移动床制备色谱分离系统（德国;+"<58公司，)=>?)4.型），配置-支2/99A.99&BC

15、B色谱柱，每个区3支柱，柱的孔隙率!为/B24。用个衡流泵（;3D/.，;+"<58）分别控制进出料和各个区内的流量。整个系统用E"7F5)*8$9软件进行计算机控制和采样。样品分析采用G,&75+%公司./系列高效液相色谱仪，配有糖分析色谱柱（=*$C5H=<,"8=I./.D/99AB99&BCB）和G,&75+%折光检测仪。#结果与讨论#"!优化过程的建立#"!"!模拟移动床色谱分离过程分析如图.所示，模拟移动床色谱分离装置分为个区，有样品进口和洗脱液进口各.个，以及3个产品出口。在运行过程中

16、，各物料的进出口周期性地变化，用来模拟固定相的移动，所以称为模拟移动床。也可以将该过程看作进出口不动，而固定相是与流动相相反的方向移动。在这个过程中，固定相的流速&=是保持不变的，通过控制#!$区的流速&.，&3，&2，&，使得混合物分开。3!3"-+色谱第"!卷!"#"!优化问题的描述优化变量为!，"，$及与切换速率相对!#!；目标函数为归一化的生产强应的固定相流速!%度，取最大值；同时将纯度的"次方作为罚函数：#$%*#$%"（#&(&%#&)）%*)（）其

17、中#$指生产强度；#&指产品纯度。根据不同的产品纯度要求，"值可以有不同的取值。由模拟移动床内液流的方向和分离原理+可知各流速之间有如下的约束条件：!"；!#!"；!#!$；!$"#"$模拟移动床色谱分离木糖醇母液的优化过程遗传算法传统上是使用二进制编码，但将其用于处理多维、高精度数值问题时会产生一些障碍。同时，当处理带有约束的问题时，二进制编码的杂交和变异算子很难使后代满足约束条件。采用浮点编码的遗传算法在直觉上更靠近问题空间，更容易设计并入与问题有关的其他算子，这对于处理非常规、与问题有关的约束是非常必要的,。图"描述了该

18、优化过程的主要步骤。首先在一定的取值范围内随机产生一组初始种群，!，!"，#，!$的取值范围为-.-!/-0&&12，这些取值范围均由模拟移动床设备的运行能力决定。!%的取值范围为!#/0&&12。"(4*"*4*!(4*5-#)(4*5,（%)(）3+)(其中#)(5-，)/(/指柱长；-是传质系数；*是归一化柱长；"是液相与固相的流速比；)为下标，是组分编号；(为下标，是模拟移动床区号。应用这组方程需满足初始条件：05-；%)(5+)(5-和边界条件：*5-时，%)(3#，(4*5%6)(4*5-*5!时，4*5-，+

19、)(5+)（(*!）*5-在分离过程中每区的进口和出口还需满足以下的物料平衡式：%)(5%)（(3!）*5!(5"，$%56)!)$*5!%!"%)"6)#5*!%!#其中，%)(指流动相内组分浓度。%6)(指每区入口的组分浓度。!6指进料流速。再由竞争性选择法!$进行选择，然后进行算术杂交,和完全非均匀变异,，最后判断是否达到最大代数，若不是则重复上述过程，若是则终止。这过程中经杂交与变异产生的后代必须满足约束条件。"!优化结果采用该方法对模拟移动床色谱分离木糖醇母液过程进行了优化。表!为遗传算法的运行参数。表为优化结果。表#基于浮点编码的遗传算法运行

20、参数7389*#:3531*+*56./+-*5*39,.;*;*4*+&,39.5&+-178&9:98;<=97>?=<:1>21A9/-78>BB1<1:C>608>>D98$-E78>BB1<1:C>6&=:1>2!-EF9298:1>2!-从表"可以看出，当"值由G增大到+-时，产品纯度也由,$./E增加到了,.+E左右。很显然通过控制"值，就可以得到不同纯度时的最优分离工艺条件。表"中数据精度高达H位有效数字，这是遗传算法本身的

21、运算结果，对于实际的应用则无需这么高的精度。图#反映了罚函数指数"与进样流量的关系。从图#可以看出，当"增大时，产品纯度增大，而这是以减小进样流量为代价的。!"第.期蔡宇杰等：基于浮点编码的遗传算法优化模拟移动床色谱分离木糖醇母液表!优化结果"#$%&!"&(*+,+-#*+(./&01%*0)!"#$%&!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=<>/</-&

23、gt;9?;9<99<(:;>9?(9:;9(/>=>:;(-:/=?=;>9/?-=;:(:(=;99:=/?=;->9(?>=;<>(=-/9;?.9.?"/）（)*+,:;/-?9/9;(>?-/</;/9/=9>/;</.>>-.;:>9/9>.;9><>-=.;.>?-=.;.-9:=.;-<(>?.;(/?/</.;<-=9>:-;>.-9(-;?.-(."0）（)*+,(.;?.-?>.?99.=:;>/=/?:;(=>>?:=;:</.?:=;.-(=:9;>?-:->9;?/9.=/9;=/(.9;9<:(999;-?:.>.9;(:-9(/;>.?(:?1+2,%33/(<(=.?->?;/>9>-9:;:>=-.9;<.:=-(>>->.-<?;>/:(>>:=: