基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測玉米秸稈水解后產(chǎn)糖量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物質(zhì)水解技術(shù)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 預(yù)測玉米秸桿水解后產(chǎn)糖量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物質(zhì)能源作為一種可再生新型能源替代化石能源已經(jīng)成為各國未來能源戰(zhàn)略 的研究熱點。燃料乙醇作為新的可再生的燃料替代品，可直接用作液體燃料或者同汽油混 合使用，減少對不可再生能源-石油的依賴，保障本國能源按照本國能源安全而日益受到 各國的重視。玉米秸桿作為中國主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，是生物燃料生產(chǎn)中主要的生物質(zhì)來源。 玉米秸桿在大型的收儲中面臨一個困境，怎么樣對玉米秸桿收儲進(jìn)行定價？是僅僅靠玉米 秸桿的重量嗎？長期放置的玉米秸桿含水量較大，僅靠重量收購玉米秸桿是不合理的。測 定完生物質(zhì)成分后，還要經(jīng)歷3-4天糖化水解的過程，才能知道玉米秸桿是否作為燃料乙 醇的原料。但是如果測試時間過長，會對收購帶來很多不便。中糧，中石油，中石化都在布 局玉米秸桿的大規(guī)模收儲，所以現(xiàn)在急需一個快速合理的對玉米秸桿評價的方法。希望能 夠創(chuàng)建一個新的模型，通過生物質(zhì)特性就能立刻預(yù)測生物質(zhì)糖化水解效果，為企業(yè)收儲玉 米秸桿服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。
[0004] 本發(fā)明還有一個目的是提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測玉米秸桿水解后產(chǎn)糖量的 方法，能夠通過將被測樣品的8個生物質(zhì)參數(shù)輸入到建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，直接推測出對應(yīng) 的被測樣品的玉米秸桿水解產(chǎn)物中葡萄糖的含量，不用直接應(yīng)用水解酶對玉米秸桿進(jìn)行水 解操作，避免過多浪費時間，降低水解酶的使用成本以及大量人力成本。
[0005] 為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測玉 米秸桿水解后產(chǎn)糖量的方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] 步驟一、獲取被測樣品的水解后產(chǎn)糖量以及對其有影響的被測樣品的8個生物質(zhì) 特性的值作為檢測數(shù)據(jù)，所述對水解后產(chǎn)糖量有影響的被測樣品的8個生物質(zhì)特性的值包 括纖維素含量、半纖維素含量、木質(zhì)素含量、生物質(zhì)氫鍵強(qiáng)度、生物質(zhì)結(jié)晶度、分支度、木質(zhì) 素單體比值S/G和木質(zhì)素單體比值H/G;
[0007] 步驟二、建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架；
[0008] 步驟三、將被測樣品的水解后產(chǎn)糖量以及對其有影響的被測樣品的8個生物質(zhì)特 性的值作為檢測數(shù)據(jù)帶入建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行歸一化處理，以訓(xùn)練和驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 以及
[0009] 步驟四、利用通過訓(xùn)練和驗證的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反向歸一法來預(yù)測玉米秸桿的水解 葡萄糖含量。
[0010] 優(yōu)選的是，其中，所述步驟二中建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架的方法為：調(diào)用Matlab函數(shù)庫 中的newff函數(shù)，Net=newgrnn(PR，T,SPREAD)，其中，Net為GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，PR為輸 入值，T為目標(biāo)向量，SPREAD為徑向基函數(shù)的擴(kuò)展速度，擴(kuò)展速度為0. 1。
[0011] 優(yōu)選的是，其中，所述步驟三中對被測樣品的水解后產(chǎn)糖量以及對其有影響的被 測樣品的生物質(zhì)特性的值作為檢測數(shù)據(jù)做歸一化處理到0. 1-2之間。
[0012] 優(yōu)選的是，其中，所述步驟三中，被測樣品的水解后產(chǎn)糖量以及對其有影響的被測 樣品的8個生物質(zhì)特性的值作為檢測數(shù)據(jù)的前81 %的數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，剩余19%的 數(shù)據(jù)用于驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
[0013] 優(yōu)選的是，其中，所述步驟三中，被測樣品為80個，其中，65個被測樣品的水解后 產(chǎn)糖量以及對其有影響的被測樣品的8個生物質(zhì)特性的值作為檢測數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)，剩余15個被測樣品的數(shù)據(jù)作為檢測數(shù)據(jù)用于檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
[0014] 優(yōu)選的是，其中，所述步驟三中應(yīng)用被測樣品的多個水解后產(chǎn)糖量對應(yīng)對其有影 響的被測樣品的8個生物質(zhì)特性的值作為檢測數(shù)據(jù)用于相互交叉驗證，并經(jīng)歸一化處理， 對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)預(yù)測值與監(jiān)測數(shù)據(jù)間的相對誤差小于5%或者絕對誤差小于0. 23 時，停止訓(xùn)練，開始預(yù)測。
[0015] 優(yōu)選的是，其中，反歸一化處理的具體方法為：將所述用于檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的8個生 物質(zhì)參數(shù)帶入經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得玉米秸桿水解葡萄糖含量的仿真值，將仿真值按照 如下公式：grnn-prediction-result=postmnmx(g;rnn_p;rediction_;result，mint，maxt) 進(jìn)行反歸一化處理，得到玉米秸桿中水解產(chǎn)物的葡萄糖含量的預(yù)測值，公式中，χ_為經(jīng)神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的釋放葡萄糖數(shù)據(jù)中的仿真值的最大值，χ_為經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的釋 放葡萄糖數(shù)據(jù)中的仿真值的最小值。
[0016] 生物質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，表征生物質(zhì)的特性也較多。其中對生物質(zhì)水解效果有直接 影響的特性包括纖維素的含量，木質(zhì)素的含量，木質(zhì)素的單體結(jié)構(gòu)，纖維素的結(jié)晶度和氫鍵 強(qiáng)度，半纖維素的分支度等。
[0017] 生物質(zhì)中纖維素的含量：
[0018] 天然植物纖維細(xì)胞壁中的纖維素存在結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在結(jié)晶區(qū)中，纖維素大分子排列 緊密，密度很大，分子間的結(jié)合力強(qiáng)。這種纖維素鏈在微纖絲中極其穩(wěn)定的類晶態(tài)排列，阻 礙了酶分子和底物的接觸，限制了酶的水解效率。在整個纖維素的水解過程中，限速步驟不 是β-1，4糖苷鍵的斷裂，而是底物中單根纖維素鏈從結(jié)晶區(qū)的分離。只有通過單根纖維素 鏈的剝離才能使纖維素鏈進(jìn)入酶的催化位點。
[0019] 生物質(zhì)的木質(zhì)素的含量：
[0020] 細(xì)胞壁的木質(zhì)化使得纖維素酶分子對底物的可及度降低，構(gòu)成了細(xì)胞壁多糖抗生 物降解的一個屏障。酶對纖維素的可及度取決于細(xì)胞壁暴露的表面積。細(xì)胞壁的組織結(jié)構(gòu)， 如木質(zhì)素和其他聚合物通過共價連接限制了酶解的程度。一般而言，木質(zhì)化的細(xì)胞壁降解 程度比較低，非木質(zhì)化的細(xì)胞壁降解程度較高。
[0021] 生物質(zhì)中木質(zhì)素的種類：
[0022] 由于細(xì)胞壁的木質(zhì)化程度和木質(zhì)素的類型會對纖維細(xì)胞壁中纖維素的酶解難易 產(chǎn)生影響，木質(zhì)素不同單體的比例如S/G，Η/G的差異直接影響到酶解的效率。
[0023] 生物質(zhì)中氫鍵強(qiáng)度和結(jié)晶度強(qiáng)度的變化
[0024] 疏水的木素包被在纖維素微絲、基質(zhì)多糖和蛋白質(zhì)的外層，并以不同方式、不同程 度與這些聚合物共價交聯(lián)，使得非纖維素多糖間及非纖維素多糖與纖維素間的氫鍵增加。
[0025] 天然植物原料的化學(xué)組成成分復(fù)雜，大量的非纖維素組分的存在對纖維素酶解過 程會產(chǎn)生一定的影響。近年來，學(xué)者發(fā)現(xiàn)不能僅僅利用半纖維素的含量籠統(tǒng)分析半纖維素 對酶解的影響。Xyl/Ara作為半纖維素的分支度，被作為一個評價標(biāo)準(zhǔn)。
[0026] 以上的生物質(zhì)特性都能影響生物質(zhì)的水解效果，每一種生物質(zhì)特性對生物質(zhì)的水 解效果影響有多大。希望可以將生物質(zhì)多種特性利用模型展現(xiàn)出來，通過測定生物質(zhì)的多 種特性，可以通過模型預(yù)測生物質(zhì)水解效果。
[0027] 本發(fā)明至少包括以下有益效果：
[0028] 本發(fā)明提供一種快速合理的對玉米秸桿評價的方法，能夠通過將被測樣品的8個 生物質(zhì)參數(shù)輸入到建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，直接預(yù)測出其對應(yīng)的被測樣品的玉米秸桿水解產(chǎn)物 中葡萄糖的含量的仿真值，且經(jīng)過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練和驗證之后，該仿真值接近 真實值，誤差很小，這樣，在實際應(yīng)用中，就可以通過本發(fā)明方法對玉米秸桿樣品的品質(zhì)進(jìn) 行預(yù)測，不需要再將玉米秸桿進(jìn)行含水量檢測以及進(jìn)行3-4天糖化水解的過程，就可以知 道玉米秸桿是否可以作為燃料乙醇的原料，避免過多浪費時間，并且還降低了水解酶的使 用成本以及大量人力成本，給相關(guān)企業(yè)大規(guī)模儲備符合要求的玉米秸桿提供很大的便利， 節(jié)省儲備時間，大幅度提高工作效率。
[0029] 本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本 發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明中玉米秸桿的纖維素含量與玉米秸桿的水解效果呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān) 系圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明中木質(zhì)素含量與玉米秸桿的水解效果呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明中玉米秸桿的結(jié)晶度與玉米秸桿的水解效果呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明中玉米秸桿的氫鍵強(qiáng)度與玉米秸桿的水解效果呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系 圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明中玉米秸桿的木質(zhì)素單體比例S/G的值與玉米秸桿水解效果有正向 相關(guān)的關(guān)系圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明中玉米秸桿的木質(zhì)素單體比例Η/G的值與玉米秸桿水解效果有正向 相關(guān)圖；
[0036] 圖7為本發(fā)明中一個實施方式中應(yīng)用本發(fā)明方法對15個被測樣品的玉米秸桿水 解后產(chǎn)糖