本文以甘油歧化微生物生产1,3-丙二醇(1,3-PD)为背景,针对代谢物质跨膜运输机理不清和缺少细胞内物质浓度的实验数据等问题,研究了一类非线性酶催化混杂系统的建模、系统辨识、参数灵敏度分析及优化.另外,针对带pH反馈的耦合批式流加发酵过程,研究了一类状态依赖的非线性切换混杂系统的建模及参数优化.主要工作可概括如下：1.提出一类非线性酶催化混杂系统来描述多种跨膜运输方式下的间歇发酵过程,论述了系统及其解的一些基本性质.分别以跨膜运输方式和系统动力学参数为离散变量和连续变量,建立酶催化混杂系统的辨识模型.基于复形法和快速模拟退火算法构造两阶段优化算法,推断出1,3-丙二醇最有可能的跨膜运输方式.2.证明了间歇酶催化系统参数灵敏度函数关于时间的连续性,将局部灵敏度分析法与蒙特卡罗法相结合,设计一个全局意义上的参数灵敏度分析方法.以灵敏度较高的参数为优化变量,建立酶催化混杂系统的参数辨识模型.依据约束泛函的一阶梯度构造模拟退火算法,对多组具体实验进行了数值计算和模拟.3.建立对应于多种可能跨膜运输方式的连续发酵非线性酶催化混杂系统.由于缺少细胞内物质浓度的实验数据,为了考核混杂系统的可靠性,依据参数随机扰动对胞内计算值的影响给出代谢系统生物鲁棒性的定量定义.基于生物鲁棒性指标建立酶催化混杂系统的随机辨识模型,证明了模型的可分解性及可辨识性,构造算法对底物限制和底物过量两种情况进行了数值计算和模拟.4.提出依赖于状态的非线性切换混杂系统来刻画带pH值反馈的耦合批式流加发酵过程.论述了混杂系统的非奇诺性及适定性,以脉冲微分方程的形式给出混杂系统的参数灵敏度方程并证明其解的存在惟一性.以混杂系统中的动力学参数为优化变量,建立带连续状态不等式约束的参数辨识模型.通过约束转移和光滑化技巧将辨识模型等价转化为一个传统的约束非线性规划问题,并依据参数灵敏度公式推导目标泛函和约束泛函关于参数的一阶梯度,构造双下降算法进行了数值计算和模拟,数值结果验证了混杂系统和优化算法的有效性.