生物反应器时空多尺度复杂系统的理论框架构建
基于多尺度理论的发酵过程在线优化控制系统的设计与实现
ｐ ｕ ｄ ｅａ ｐｉａ ｏ ｆ ｌ － ａｄ ｔ ｋ ｔｅ ｒ ｎ ｌ－ ｏ ｎ ｓｔ ｐ ｌ ｔ ｎ ｏ ｔ ｙ ｒ ｓ ｃ ｏ ｙａ ｄ ｍｕｔ 哦毗ｌ ｅ ｌｔ ｎ ｌｓ ｔｏ ｒ ｎａ ｏ ｒ ｃ ｓ ｐ ｍｉ ｔ ｎ ａ ｄ ｅ — ｈ ｃｉ ｍｕｉ ｉ ｈ ｉ ｅ ｒｒ ａｅ ａ ａｙ ｉ ｍｅｈ ｄ ｉ ｆ ｍｅ ｔｔ ｎ ｐ ｏ ｅｓ ｏ ｔ ｚ ｉ ｎ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓ ｎｅ ｉ ｉ ａｏ ｌｒ ｅ ｎ ｒ ｄ ｃｉｎ ｎ ｒｐ ｓ ｓｔ ｅｍｅｈ ｄ ｎ ｌ ｓ ｒ ｓｏ ａ ｐｙｎ ｏ ｕｅ ｆ ａ ｎ ａ ｄ ａ￣ｔｃ ｎ ｌｇｅ ｏＩａ ｉ ｈ ｎ ａ ｇ ｍｅ ｔ ｏ ｕ ｔ ．ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｔｏ ｓａ ｄ ｎｅ ｕｅ ｆ ｐ ｌｉｇ ｃ ｍｐ ｔｒ ｏｔ ｒ ａ ｄ ｈ ｒ ｗ ｌ ｅ ｈ ｏｏ ｉｓｔ ． ｚ ｔ ｅ ｏ － ｐ ｏ ｏ ｈ 日 ｓ ｗｅ ￣ｌｅ ｌ ｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｃ ｎｒｌｓｓ ｍ ｆ ｅｍｅ ｔ ｏ ｒｃ ｓ ． ｉ ｐ ｍｉ ｉ ｏ ｔ ｙ ｔ ｏ ｆｒ ｎａ ｎ ｐ ｏ ｅｓ ｎ ｉ ａｏ ｏ ｅ ｉ ｔ Ｋｅ ｏ ｄ ： ａｅ ｎ ｍｕ ｔ ｙｒ ｓ ｃ ｙ ｗ ｒ ｓ ｂ ｓ ｄ Ｏ ｌ － ａｄ ｔ ｋ；ｆｒ ｅ ｔｔ ｎ ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ ｐｉ ｚ ｔ ｎ ｃ ｎｒｌ ｉ ｌ ｓｔ ｎ ｍｉ ｉｎ ｉ ｉ ｅ ｍ ｎａｉ ｒｄ ｃ ｏ ；ｏ ｔ ａ ｏ ｏ ｔ ；ｗ ｒ ｅ ａ ｓ ｓ ｏ ｏ ｉ ｍｉ ｉ ｏ ｅｓ ｒ ｓ
罗 敏 张嗣忠２ ，
（． １江西省计 算技 术研 究所， 西 南昌 ３００ ；． 江 ３０２２江西征 宇生物信息技术发展 有限公 司， 西 南 昌 ３００） 江 ３０２
摘要： 简要介绍了多尺度理论和多参数相关分析方法的基本概念， 述 了多尺度理论及多参数相关分析方法在发酵过程 阐
生物大分子相互作用的多尺度模拟和分析
生物大分子相互作用的多尺度模拟和分析生物大分子相互作用是生命的基础，研究这种相互作用有助于深化生命科学的理解。
随着计算机技术的进步，基于多尺度模拟的方法被广泛应用于生物大分子相互作用的研究。
在这篇文章中，我们将探讨多尺度模拟在生物大分子相互作用研究中的应用以及未来的发展方向。
多尺度模拟是通过将系统分层来模拟分子的动态行为，从而解决亚纳米尺度上生物大分子的运动和反应。
相比于单一尺度的模拟方法，多尺度模拟可以在模拟过程中同时考虑多个尺度的因素，从而更加准确和全面地反映生物大分子的相互作用。
多尺度方法通常分为四个层次：量子力学/分子力学耦合（QM/MM）方法、分子力学/反应动力学（MD/RD）方法、通量平衡（FEP）方法和基于统计力学的方法。
多尺度方法的复杂度和计算量都要高于单一尺度的方法，但为了解决生物大分子的复杂性问题，多尺度方法是必不可少的。
生物大分子的相互作用是多种因素的综合作用，涉及分子的结构、电荷、水合物、荷电态、热力学、动力学等多个方面。
因此，多尺度模拟需要对这些因素进行综合考虑，以获得准确的结果。
在多尺度模拟中，QM/MM方法和MD/RD方法是应用最广泛的两种方法。
QM/MM方法是将分子力学和量子力学有机结合的方法，可以模拟大分子内部的量子力学效应，如电子传输或化学反应。
MD/RD方法则可模拟分子之间的力学相互作用。
除了QM/MM和MD/RD方法，基于转矩阵蒙特卡罗（TMMC）的方法和通量平衡（FEP）等方法也可以模拟生物分子间的相互作用。
基于TMMC的方法是一种高效且准确的方法，可以模拟大分子系统的平衡自由能和反应动力学，适用于生物大分子的激发态和化学反应的模拟。
FEP方法则是一种计算自由能的方法，可以模拟分子转换并计算结合自由能和脱离自由能等重要的物理量。
多尺度模拟还可以结合机器学习、人工智能等技术进行优化和加速，以提高效率和准确度。
例如，可以使用人工神经网络（ANN）或深度学习等技术来预测分子的结构和行为，从而优化机器模拟。
发酵过程优化与控制(原理部分)
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大型发酵罐 搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
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第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高 的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵，是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为 主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理 论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
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基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再
从多尺度到介尺度———复杂化工过程模拟的新挑战
如图 ２ 所 示 ， 类 似 的 多 层 次 、 多 尺 度 结 构 同 样 存 在 。 正是这种相对性使此项研究具有深刻而普遍的 科学意义 。 为了解释复杂系统的机理 ， 近几十年来 耗散结构 、 相变和协同等理论不断涌现 。 虽然它们 与彻底揭示这些机理还有相当大的距离 ， 但它们跨 学科 、 跨领域的特征已非常明显 ， 介尺度结构的研 究正是处在这种跨越的结合点上 。 从应用层面 来 说，目 前 人 类 社 会 面 临 的 诸 多 挑战需要迅速建 立 系 统、高 效、经 济、可 再 生 的 能源和资源利用新模式，但目前 主 流 的 研 发 模 式 仍然是从经验出发提出试探性 的 工 艺 路 线、设 备 结构和材料组成，然后通过实验 和 计 算 推 测 其 性 能，逐步试凑、改进 来 接 近 预 定 的 设 计 目 标。这 样做费用高、周期 长、效 果 差，无 法 应 对 这 些 挑 战。能够反过来按照性能与功能 要 求 设 计 材 料 或 设备的组成与结构将是根本的 解 决 之 道，也 是 化 工和其他工程技术界多年来的 目 标。但 是 正 如 图 １所阐释的， 从 决 定 产 品 性 能 的 微 观 结 构 到 现 代 工业装置，巨大的尺度跨越使介 尺 度 结 构 与 行 为 的定量描述与调控成为材料制 备、工 艺 开 发 和 装 备优化放大的核心问题。
：２ 犲 犮 犲 犻 狏 犲 犱犱 犪 狋 犲 ０ １ ０－０ ５－１ ９ ． 犚 ：Ｐ ，ｗ 犆 狅 狉 狉 犲 狊 狅 狀 犱 犻 狀 狌 狋 犺 狅 狉 ｒ ｏ ｆ ．Ｇ ＥＷ ｅ ｉ ｅ ｏ ｍ ｅ ． ｉ ｅ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ＠ｈ ｇ ｐ 狆 犵犪 犉 狅 狌 狀 犱 犪 狋 犻 狅 狀犻 狋 犲 犿： ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄ ｂ ｈ ｅ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｆ Ｆ ｉ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｐ ｐ ｙ ｔ ｙ ｏ （ ） ， Ｚ Ｄ Ｙ Ｚ ２ ０ ０ ８ ２ ｔ ｈ ｅＮ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｉ ｌ ｌ ａ ｒＰ ｒ ｏ ｒ ａ ｍ ｇ ｙＰ ｇ （ ） ， ２ ０ ０ ８ Ｂ Ａ Ｆ ３ ３ Ｂ ０ １ ｔ ｈ ｅＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＡ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ（ Ｋ Ｇ Ｃ Ｘ ２ ＹＷ ｙｏ １ ２ ４） ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ， 刘新华 ， 任 瑛 ， 徐 骥 ， 李静海
反应工程名解及简答题
反应⼯程名解及简答题第0章1. ⽣物技术产品的⽣产过程主要由哪四个部分组成？答：（1）原材料的预处理；（2）⽣物催化剂的制备；（3）⽣化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2. 什么是⽣化反应⼯程,⽣化反应⼯程的研究的主要内容是什么?以⽣化反应动⼒学为基础，运⽤传递过程原理及⼯程学原理与⽅法，进⾏⽣化反应过程的⼯程技术分析、开发以及⽣化反应器的设计、放⼤、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：⽣物反应动⼒学和⽣物反应器的设计，优化和放⼤。
3. ⽣物反应过程的主要特点是什么？1.采⽤⽣物催化剂，反应过程在常温常压下进⾏，可⽤DNA重组及原⽣质体融合技术制备和改造2.采⽤可再⽣资源3.设备简单，能耗低4.专⼀性强，转化率⾼，制备酶成本⾼，发酵过程成本低，应⽤⼴，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。
4. 研究⽅法经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体⼒学研究法。
5. 在建⽴⽣物反应过程数学模型时，常按下述⼏个步骤进⾏：（1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究；（3）过程分离原理；（4）数学模型的建⽴。
第1章1. 酶作为⽣物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性？谈谈酶反应专⼀性的机制。
催化共性:降低反应的活化能，加快⽣化反应的速率；反应前后状态不变.催化特性:⾼效的催化活性;⾼度的专⼀性;酶反应需要辅因⼦的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。
机制：锁钥学说；诱导契合学说2. 什么叫抑制剂？某些物质，它们并不引起酶蛋⽩变性，但能与酶分⼦上的某些必需基团（主要是指活性中⼼上的⼀些基团）发⽣化学反应，因⽽引起酶活⼒下降，甚⾄丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作⽤的物质称为抑制剂。
1.2 简单酶催化反应动⼒学（重点之重点）详细介绍简单酶催化反应模型、快速平衡法、拟稳态法以及酶动⼒学参数的求取⽅法(重点为L-B法和E-H法）。
从多尺度到介尺度——复杂化工过程模拟的新挑战
万方数据化工学报第６１卷阳能和生物质能等可再生能源技术以及节能减排和Ｃ０：捕集、储存等技术成为化学工程和相关学科研究的一个焦点。
为了应对这些问题，不但需要考虑单一的设备与过程，更需要考虑产品的整个生命周期及其与其他产品的关系。
因此，时空多尺度结构和复杂系统更多地引起了这些学科的关注，而介于单元与系统整体间的介尺度行为可以说是其中最关键的环节。
１介尺度蕴含着复杂体系的共性基础问题目前化工和很多其他学科中的瓶颈问题具有共同的本质。
例如，人们能够测定很多材料的宏观性能（如应力应变关系）以及微观的分子结构，但很难为特定的性能设计相应的材料组成和制备工艺，因为这些分子和原子会在不同条件下形成复杂而多变的多尺度结构，从而产生截然不同的性能。
聚乙烯材料在结晶状态下能达到类似金属的强度，而如果以无规微团聚集，仅能用作一般的包装材料。
又如，一般能描述工业设备的总体操作特性，也清楚其工作原理和微元过程，但很难从理论上优化这些设备的性能，因为设备中的工质或构件的运动、传递和反应过程也具有多尺度的复杂行为。
再如，蛋白质的三维结构和氨基酸序列可以精确测定，却难以描述其折叠过程。
类似的问题还能举出很多，但都可以概括为［１］：复杂系统大多表现出不同的层次，而每个层次中又有多尺度的结构。
尽管不同层次的多尺度结构不同，但都有一个共同属性，即每个层次的边界尺度上系统的行为相对简单，易于表征、分析；而在它们之间的尺度上，系统行为大多非常复杂，还缺乏成熟理论描述，这些尺度称为介尺度。
介尺度普遍存在而且不同系统在不同层次上的介尺度行为的共性本质已逐步体现。
值得注意的是，介尺度并非一个具体的时空尺度，而是～个相对的概念，在不同问题中对应于不同的特征尺度。
但不同问题中的介尺度行为却有共性的本质，并且往往是解决该问题的瓶颈所在。
以化工过程为例，如图ｌ所示［１］，介尺度问题既出现在介于原子、分子和整个催化剂颗粒之间的表界面和内孑Ｌ尺度，也出现在介于单颗粒和反应器整体间的聚团和气泡尺度，还出现在介于设备和生态园区间的工厂尺度，而这些尺度上都呈现典型的复杂性。
第十章：发酵过程优化与放大概论
• 3. 串级反馈控制
• 由两个以上控制器对一种变量进行联合控 制的方法
• 4. 前馈/反馈控制
• 如废水处理系统，分析悬浮固体含量前馈到排 放控制器
• 根据排出悬浮固体含量对排放率进行反馈调节
• 1.2.2 发酵控制系统的硬件结构
• 1. 传感器 • 2. 变送器与过程接口 • 3. 执行机构和转换器 • 4. 监控计算机
• 2. 溶氧
• 复膜溶氧探头
• 银阴极和铅阳极组成的原电池
• 管状银阳极、铂丝阴极、氯化银电解液和极 化电源组成的极谱型
• 产生的电流正比于通过膜扩散入探头的氧量
• 复膜溶氧探头实际测量的是氧分压，与溶氧 浓度并不直接相关，结果用溶氧压（DOT） 表示
• 一般以空气中氧饱和的百分度表示
• 3. 氧化还原电位
不同水平问题的相关
Rpm ↓ DO ↓
OUR
当ＤＯ低于临界
氧浓度（ＣＬｃ)时，
VHB
ＯＵＲ下降，细胞代
谢由好氧向厌氧途径 迁移。
CLC
DO
分子水平 基因工程血红蛋白 hemoglobin (VHB) 对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降。
2.3 发酵工程控制中二个基本问题——优化与放大
代谢调控研究 代谢工程研究
• 缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的
研究内容
不同尺度的网络状 态关系
•生命所特有的信息流、 物质流、能量流 •具有“变化着的结构” 不仅是线性或动力学 因素
• 跨尺度测量与控制 往往以各自研究的技 术背景从单一尺度去 理解和分析研究生物 过程的特点
呈网络多输入多输出关系
•不是简单的统计热力学关系 •网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系
反应器-催化剂颗粒双尺度分析费托合成的产物分布及其影响因素
反应器-催化剂颗粒双尺度分析费托合成的产物分布及其影响因素曹军;张莉;徐宏【摘要】在考虑产物液膜传质阻力的情况下,构建了反应器-催化剂颗粒双尺度费托合成产物分布的多场耦合数学模型,讨论了产物液膜及催化剂粒径对产物分布特性的影响.结果表明,产物碳原子选择性的计算结果符合费托合成经典的ASF分布.反应物浓度在催化剂颗粒表面处的浓度最高,沿着半径方向向中心处不断降低,而产物的浓度分布状态则正好相反.沿着流动方向,主体气流中反应物CO的浓度要高于催化剂内部平均值,产物C5+浓度则与此相反;且浓度差异在反应器入口部分最为明显,随着反应不断进行,催化剂颗粒内外组分的浓度差异逐渐缩小.此外,催化剂粒径越大,颗粒内部组分的浓度差也越大,而减小粒径可以降低液态产物传质阻力,同时有效避免催化剂的“死区”现象,有利于提高其利用效率.%A multi-scale and multi-physics-coupled numerical model containing the momentum,mass transfer,as well as the chemical Fischer-Tropsch synthesis kinetic equations in both reactor and catalyst particle scales with the consideration of mass transfer resistance caused by liquid products film on catalyst particle surface,was established.The effects of liquid film as well as the particle radius on products distribution characteristics were analyzed.The results showed that the C-atom selectivity of Fischer-Tropsch products obtained from the established numerical model agreed well with the classical ASF distribution.The highest reactant concentration appeared at the out surface of catalyst particle and decreased along the particle radius,while there was an opposite trend for product concentration.The COconcentration in main flow was higher than the average value in catalyst particle,while the product C5+ has the opposite distribution character.Moreover,the concentration difference between main flow and catalyst particle was largest at the inlet region,and decreased along the flow direction.Furthermore,the larger the catalyst particle,the more obvious the concentration difference along the particle radius of the components inside the particle.Thus smaller catalyst particle is good for decreasing the diffusion limitation,to avoid the "dead region" phenomenon,and the catalyst usage efficiency can also be enhanced.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2017(033)002【总页数】9页(P252-260)【关键词】费托合成;液膜传质系数;扩散限制效应;多尺度多物理场耦合分析【作者】曹军;张莉;徐宏【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237【正文语种】中文【中图分类】TE65我国的能源分布具有“富煤、少气、贫油”的特点。
生物反应器及其研究技术进展_王永红
第11卷第2期2013年3月生物加工过程Chinese Journal of Bioprocess Engineering Vol．11No．2Mar．2013doi ：10．3969/j．issn．1672－3678．2013．02．003收稿日期：2012－12－18基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA021201）；国家重大科学仪器设备开发专项项目（2012YQ150087）作者简介：王永红（1966—），女，湖南省桂阳人，教授，研究方向：生物过程工程；张嗣良（联系人），教授，E-mail ：siliangz@ecust．edu．cn 生物反应器及其研究技术进展王永红，夏建业，唐寅，杭海峰，易小萍，潘江，许建和，张嗣良（华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海200237）摘要：阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展，并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的生物反应器的主要发展趋势，包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。
关键词：生物反应器；计算流体力学；微型生物反应器；动物细胞反应器；酶反应器中图分类号：TQ051文献标志码：A文章编号：1672－3678（2013）02－0014－10Recent advances in bioreactor and its engineeringWANG Yonghong ，XIA Jianye ，TANG Yin ，HANG Haifeng ，YI Xiaoping ，PAN Jiang ，XU Jianhe ，ZHANG Siliang（State Key Laboratory of Bioreactor Engineering ，East China University of Science and Technology ，Shanghai 200237，China ）Abstract ：The engineering methodologies and key technologies for the bioreactor design and the scale-up were discussed．The development trends in bioreactors for the production of biotechnology products were described ，including a bioreactor system focusing on metabolic flux detection and analysis ，the improved stirred-tank bioreactor based on computational fluid dynamics ，microbioreactor ，bioreactor for mammalian cell ，and enzymatic bioreactor．Key words ：bioreactors ；computational fluid dynamics ；microbioreactors ；bioreactor mammalian cell ；enzymatic bioreactors1生物技术产业发展与生物反应器随着全球社会经济快速发展，现有石油煤炭等化石资源的充分供应变得不可持续，难以支撑人类社会的高级发展目标。
化学工程中生物过程的优化方法
化学工程中生物过程的优化方法在化学工程领域，生物过程的优化具有至关重要的意义。
随着科学技术的不断发展，对于生物过程的理解和操控能力也在逐步提升，这使得优化生物过程成为提高生产效率、降低成本、提升产品质量的关键手段。
生物过程涉及到众多复杂的生物化学反应和生理活动，其优化并非一蹴而就，而是需要综合考虑多个因素，并运用一系列科学合理的方法。
首先，我们来谈谈菌种的选育和改良。
菌种是生物过程的核心，其性能直接决定了反应的效率和产物的质量。
通过传统的诱变育种方法，如使用紫外线、化学诱变剂等，可以诱导菌种发生基因突变，从而筛选出具有优良性状的菌株。
然而，这种方法具有一定的随机性和不确定性。
近年来，随着基因工程技术的飞速发展，我们能够更加精准地对菌种的基因进行编辑和改造。
例如，通过导入特定的基因片段，或者敲除某些不利的基因，来构建具有特定功能和优良性能的工程菌。
但需要注意的是，基因工程技术在应用过程中必须严格遵守相关的法律法规和伦理准则。
培养基的优化也是生物过程优化中不可或缺的一环。
培养基为微生物的生长和代谢提供了必要的营养物质和环境条件。
合理的培养基配方能够显著提高微生物的生长速度和代谢活性。
在优化培养基时，需要对碳源、氮源、无机盐、生长因子等各种成分进行细致的研究和调配。
可以采用单因素实验法，逐一考察每种成分对生物过程的影响；也可以运用正交实验设计等方法，同时研究多个因素的交互作用，从而快速有效地确定最优的培养基配方。
生物反应条件的控制对于优化生物过程同样至关重要。
温度、pH 值、溶氧浓度等因素都会显著影响微生物的生长和代谢。
例如，不同的微生物都有其最适生长温度，过高或过低的温度都会导致微生物生长缓慢甚至死亡。
pH 值的变化会影响酶的活性和细胞膜的通透性，进而影响微生物的代谢过程。
溶氧浓度对于好氧微生物的生长和代谢起着关键作用，不足的溶氧会限制其生长和代谢活性。
因此，通过精确控制这些反应条件，可以有效地提高生物过程的效率和稳定性。
张嗣良-发酵过程氮源利用与培养基研究
常规控制器
(MVS) SFR OTR HTR
H+FR
反应器混 和与传递
生物反应器
细胞水平的
代谢动力学
s
DO剪切
T 细胞生长
pH
Pco2
Xm (cp)
(EVs) P
(PVs) SUR OUR HER H+ CER PPR
必需高度重视代谢流 及其对反应器的影响
(IFB)
•产物与代谢流有关
• 不同层次反应的关联方法
发酵过程优化放大技术的现状与存在的问题
过程优化主要靠人工经验长期摸索───效果差周期长
➢ 提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品 ➢ 新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长
过程放大主要采用人工经验逐级放大──效果差风险大
➢ 从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 ➢ 放大指数越大风险越大（新设备、新产品）
影响发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用
➢ 整体技术：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备技术、… ➢ 大宗发酵产品急需新技术,降低生产成本,提高市场竞争能力 ➢ 生物能源等可持续发展的战略需求已经提到议事日程
发酵过程优化的基础与应用技术研究
基础研究
•科学问题
• 发酵过程全局优化与高度分支的生命科学研究关系 • 过程放大时的生物反应器流场不均匀性对细胞生理特性的影
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5 200 -25 0
25 50 75 100 125 150 175 200
Time (h)
1、酵母粉替代比例增加，pH在20h反弹高峰下降，50h粘度高峰明显，但100h后
发酵工程在生物技术领域的重要地位及教学心得
发酵 工 程在 生 物技 术 领 域 的重 要 地 位及 教 学 心得
吕红 英
（ 吉林农业科 技学 院生物工程学 院， 吉林 １ １１ ３ ０） ２
摘
要： 发酵工程 作为生物技 术专业的重点 学科 ， 生物技 术产 品生产最主要 的生产手段 ， 生物技 术专业人 才培养 是 在
过程 中 占有重要地位 ， 文就 当前发酵工程在生物技 术领域发展 中的重要地位做 了重 点分析 ， 出其广 阔的发展 前景 ， 本 提 就 其教 学特点提 出相应教 学手段 的改进措施 。
Ｋｅ ｏｄ ： ｒ ｅｔｔｎｅ舀 ｎ ； ｉ ｏｙｔ ｈ ｏ ｇ ； ｅｃｉｇｍ ｔ ｄ ｙｗ ｒ ｓｆ ｍ ｎ ｉ ｎ ｎ ｅ ａｏ ｇ ｂｏ ｇ ｃｎ ｌ ｙ ｔ ｈ ｅ ｏ ｓ ｌ ｅ ｏ ａ ｎ ｈ
１ 发酵工程简介
发酵（ ｒｅｔｉ ） ｆ ｍ ａｏ 最初是来 自拉 丁语“ ｅ ｎ ｔｎ 发泡” （ ｅ ） ｆ ｒｅ这个词 ， ｔ ｒ 是指酵母作用 于果汁或发芽谷物 时产生二氧化碳的现象… 。这是最早对于发酵学 １ 的描述。发酵学之父 巴斯德研讨 了酒精发酵的生
工程 、 发酵 工厂设计 等重 要学 科 ， 交叉性 强 。
３ １ ３ 实践性 强 ， 生产 生 活联 系密切 ．． 与 发 酵工
模植物细胞 培养 ， 将用 于生产一些 昂贵的植物化 学品 ； 而动物细胞培养 所生产的一些蛋 白质和多
肽类产品将作为医用激素及抗癌与抗艾滋病 的新 药物Ｉ 。 ６ ＿ 首先通过菌种 和工艺 的改进 ， 界微生物工 世 程产品税业在整个 世界经济中争 得了一 席之地 ， 总产量较传统产业提高了五倍 以上， 其中重要的 医药产品—抗生素 的产量增加达 １ 倍 以上 ， Ｏ 饲料 酵母达十几倍 。现代微生物发酵工程首先给制药 业带来了可喜 的变化 ， 重要药 品的产量大 幅度增
代表性体单元rve研究方向
代表性体单元rve研究方向代表性体单元是一类重要的生物信息载体，通过特征参数检测生物大分子的结构、功能和代谢，从而为药物研发提供生物学依据。
研究以代表性体单元为载体对具有多靶点作用并且具有多靶点结构及功能的药物进行功能评价以及安全性评价方法。
代表性体单元涉及复杂的分子系统与生物信息学理论等多个学科领域。
代表性体单元是生物信息技术在临床领域的一个重要应用领域，也是生物信息技术在药物研发领域具有重要价值和应用前景发展最快的领域之一。
代表性体单元以多靶点为基础建立，包括生物信息学研究中的三大基本单元：生物信息学研究领域中以生物特征为基础建立的代表性体单元；生物信息学研究领域中以数据为基础建立并且体现生物学特征研究领域中以大数据为基础建立的代表性体单元；生物信息学研究领域中以大数据为基础建立代表性体单元。
一、生物特征研究生物特征研究是以生物信息学理论为基础，运用生物信息学的方法，对生物大分子及其结构、功能与代谢的多维时空分布特征进行分析。
如药物生物反应器(BBR)、分子标志物、功能蛋白等。
生物特征是在生物大分子动态分布过程中不可缺少的重要信息载体。
将生物特性信息作为药物研发的主要特征之一对药物设计起到指导作用，并有助于未来新疗法临床前评估。
如在细胞周期调控领域，运用分子生物学技术研究细胞周期调节因子调控细胞周期过程中靶点结构与功能以及调节途径之间的相互作用关系；在神经递质方面，利用分子生物学技术研究神经系统功能与异常神经递质对神经功能和疾病状态的影响；在免疫调节领域和内分泌疾病方面利用分子生物学技术研究多种疾病靶点表达与变化规律；在肿瘤预防和治疗方面利用分子生物学技术研究肿瘤发生、发展以及相关基因表达调控过程中与肿瘤相关的生物效应特征；在基因编辑和克隆方面和免疫细胞治疗应用分子生物学技术建立的生物特征数据库进行基因编辑和克隆等方面。
1、生物特征研究对象生物特征包括生物大分子的化学结构、生物活性等，其中包括单个分子、多种分子标志物。
中国科学院过程工程研究所项目成果
中国科学院过程工程研究所情况介绍中国科学院过程工程研究所前身是1958 年成立的中国科学院化工冶金研究所。
50 多年来，研究范围逐步扩展到能源化工、生化工程、材料化工、资源/环境工程等领域，学科方向由“化工冶金”发展为“过程工程”。
2001 年更为现名。
过程工程所面向国家过程工业战略需求，面向世界过程工程科技前沿，针对制约过程工业发展的共性科技问题，提出了“过程工业绿色化与信息化”的发展战略和“一个核心、四个层次”的科研布局，即以时空多尺度结构为核心，突破关键性科学难题；在共性问题和方法学、数据信息和实验计算平台、工艺和过程调控、工程应用四个层次，系统研究与发展过程工程科学，形成资源高效清洁转化和产品高值化制备的过程工程平台。
“一个核心”与“四个层次”是有机、开放的整体，旨在落实战略目标，突破科研—开发—设计—工程/分离的体制机制障碍，促进实验室成果产业化，输出高效清洁的物质转化新工艺、新过程/新设备和集成技术，带动过程工业的技术升级换代和生产模式根本变革。
2011 年过程工程所被科技部确认为“国家技术转移示范机构”。
全年共签订有效合同199 份，服务企业320 余家，合同金额为17839 万元，已经实际到款8331 万元，较上一年度增长了35.9%，超过了历史最高水平；举办 3 期“行业需求与过程工业科技创新高层论坛”进行行业领域发展动态、战略方向、最新政策、市场需求及重大共性技术等研讨；与政企新建平台13 个，提升企业自主创新能力的同时，为实现核心技术的快速孵化推广奠定基础；2011 年新加入芦笋产业等5 大技术创新联盟，是我所加入的产业联盟总数达到27 个，实现企业、大学和科研机构等在战略层面有效结合，共同突破产业发展的瓶颈，以促进行业领域进行共性关键技术开发及转移转化；新增发明专利申请332 项，实用新型专利申请7 项，PCT 申请8 项；新增发明专利授权97 项，实用新型专利授权3 项，国际专利授权3 项，软件著作权登记5 项，进一步丰富和保障了原始创新成果。
探索知识体系的逻辑与架构：多层次、多尺度及介尺度复杂性
Engineering 2 (2016) xxx–xxxViews & CommentsContents lists available at ScienceDirectjo u rn a l h om e pag e: w w w.else /locate/engEngineering探索知识体系的逻辑与架构：多层次、多尺度及介尺度复杂性李静海Vice President of International Council for ScienceState Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China1. 突破惯性思维模式为迎接新的科技革命，实现新的科研模式，应对全球挑战，我们迫切需要突破惯性思维。
在新的科技时代，机遇多于挑战。
然而，在这个新时代，政府和科技界需要意识到，最为重要的问题也许不是经常讨论的投资与回馈。
现代科学技术在20世纪取得了突飞猛进的进步。
人类对自然界的认识和改造自然的能力不断提升，科学在向两个极端时空尺度扩展的同时，催生了许多新技术，特别是能源、材料、信息和生物技术的发展，从根本上改变了人类的生产和生活方式，推动了人类文明的进步。
然而，人们逐步认识到，在人类可持续发展面临新的挑战、需要解决方案的同时，自然、工程、人类自身和社会科学中仍然存在很多用已有知识无法解决的问题，注重细节的还原论和关注整体行为的系统论仍然无法融合，不同层次之间和同一层次不同尺度之间的关联仍然难以实现。
这严重制约了人类可持续发展的能力，对自然科学和社会科学提出了挑战。
与此同时，信息技术的进步和知识体系的爆炸性扩张，正在推动新的科研模式[1]的形成，学科交叉[2–5]、融合也越来越成为取得新突破的主要途径[3]，科学的开放性和全球性已成为当代科学的潮流。
第7章生物反应器及其工程放大
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
生物反应器的应用状况与前景
生物反应器的应用状况与前景201230620207 雷智烺摘要：生物反应器是指用于生物反应过程的容器总称。
包括酶反应器、固定细胞反应器、各种细胞培养器和发酵罐等。
本文阐述了生物反应器的应用现状及前景。
关键词：生物反应器应用前景生物反应工程学科是随着生物技术的发展逐步形成的，生物反应工程是一门以生物学，工程学，计算机与信息技术等多学科为基础研究生物反应过程中带有共性工程技术问题的交叉学科，生物反应工程以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物过程方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
自然界中的生物现象可以说是无处不在，这些现象中的核心是生物微化反应，或者说是生物的生长、繁殖、形成产物、某些物质的减少或增加过程。
一般生物反应过程可以分为三个阶段：第一阶段指原料处理和培养基制备；第二阶段是利用生物反应器通过生物反应产生目的产物的过程；第三阶段指目的产物的提取与精制。
随着生物技术的发展，利用数学、化学工程学、化学工程原理和计算机技术等进行生物反应过程研究，使培养操作过程控制更为合理，新的生物反应器不断出现。
现今，生物反应器在许多领域都有应用：一．动物培养用生物反应器动物细胞体外培养时，生物反应器是整个培养过程的关键设备，为细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。
由于动物细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于动物细胞大规模培养，特别是组织工程的需要，促使新型生物反应器的研究与开发。
生物反应器的分类及结构特点：1、搅拌式生物反应器搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。
但由于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。
以多尺度理念构建新的化学反应工程体系
发 展 ， 研 究 不 同 尺 度 传 递 过 程 对 化 学 反 应 过 程 为 的 影 响 和 不 同 尺 度 化 学 反 应 过 程 之 间 的相 互 关 系 提 供 了 可 能 ， 时 为 化 学 反 应 工 程 的 未 来 发 展 提 同
究 的 内容 应 当是 研 究 工业 规 模 化 学反 应 过 程 的反 应 规律 ， 过 设 计 合 理 结 构 的反 应 器 和选 取 适 宜 通
一
Hale Waihona Puke 性 和 可 行 性 ， 此 基 础 之 上 提 出 了 以 多 尺 度 理 念 在
构建 新 的化 学反应 工 程体 系 的基本 框架 ．
门工程学 科 ， 经过 五 十 多 年 的发 展 ， 理论 体 系 其
１ 化 学 反 应 工 程 的 研 究 内 容 和 目 的
化 学 反 应 工 程 以 工 业 规 模 进 行 的 化 学 反 应 过
第 ３ 卷第 １ ３ 期
２１ ０ １年 ０ 】月
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Ｖｏ． ＮＯ １ ３３ ．１
Ｊ Ｗ ｕ ａ Ｉ ｓ ． ． ｈｎ ｎｔ
Ｔｅ ｈ ｃ．
Ｊ ｎ ２ １ ａ． ０ １
文 章 编 号 ： ６ ４—２ ６ （ ０ １ ０ １７ ８ ９ ２ １ ） １一ｏ ０ ｏ １—０ ３
中 图分 类 号 ： ＴＱ０ ３ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ６ ４ ２ ６ ． ０ １ ０ ． ０ ｏ ： ０ ３ ６ ／．ｓ ｎ １ ７ －８ ９ ２ １ ． １ ０ １
０ 引 言
化 学 反 应 工 程 是 在 二 十 世 纪 五 十 年 代 形 成 的
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物和外部的营养和物质交换。
化学计量学：主要研究有关发酵过程中反应组分组成变
化的规律。
热力学：研究只强调系统的起始态和终止态，给出反应 Yx/s、Yp/s、Yx/o
可能进行到的最大程度。消耗的量同形成的量关联起来，
3.微生物反应动力学与生物反应工程
多过程环节
具有“变化着的结构”
系统结果的差异或最优过程的严重偏离。
微生物反应工程尺度划分
根据不同的研究要求和相关的学科发展，可以有不同的 划分
唉其不幸，怒其不争
度、细胞细微结构尺度和细胞尺度上进行多尺度系统研究。
在望远镜看不到的地方，显微镜开始起作用了。这两者 哪一个有更大的世界呢？ ------维克多•雨果
物质运动的时空多尺度系统
想象力比知识 更重要，因为 知识是有限的， 而想象力概括 着世界的一切， 推动着进步， 并且是知识进 化的源泉，严 肃地说，想象 力是科学 研究 中的实在因素。 ----爱因斯坦
同时满足这些相似条件是不可能的
把多时空尺度的过程，作为一个尺度的问题来放 大当然是不可能。
建立多尺度系统，确定各个尺度的影响的权重。
背景
发酵过程优化与放大仍是 一个令人困惑的问题吗？
对于活体细胞调控来说，采用传统的 生物学方法或化学工程的调控方法，存在 很大的问题，国内外都没有很好解决。
八、生物过程的多尺度问
ρ 为流体密度，U为特征速度，L为特征长度， μ 为流体的黏度系数
μ = ρ cL/3 , c为分子的平均随机速度，L为分子平均自由程
经过大、中、小、微等许多尺度上的漩涡， 最后转化分子尺度上的热运动，统计描述仍 可能奏效。问题在于以紊乱无规的湍流背景， 流动中还会出现大尺度的、很规则的结构和 纹样------贝纳德对流
不是简单的统计热力学关系 网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系
─── 多输入多输出关系
信息流、物质流和能量流，
生命属性所特有的时空串联反应关系
微生物代谢流───
网络研究的的核心问题
将生 物反 应器 中各 当生物反应器尺寸或操作条件变化时，发生的 物质 归属 在其 结果变化不是简单的用线性关系或平均统计方法所 特定 的时 能描述的物质状态的变化。 空尺 度， 导致过程变化的原因除了线性或动力学因素之外， 将简 化描 往往还发生在系统结构性的突变。 述过 程， 虽然这种结构性突变从本质上看还是动力学行为，但由 增加 于不同尺寸的边界条件难以区分，甚至还未能发现，就造成 描述 精度。
系统整体性原则、系统有序相关原则、系统目标
优化原则、系统动态性原则、系统分解综合原则、
系统创新思维原则。
名曰：系统优化，
实为：控制优化
复杂系统认识的建立
系统论概述
复杂系统的特征
背景
▓系统论概述
应用研究存在阶段形成的一般系统论,控制论和人 工智能； 研究演化的耗散结构理论、协同学、超循环理论、 突变论、混沌理论、分形理论和元胞自动机理论； 在综合研究阶段随着计算机技术发展，以计算机隐 喻和类比成为研究方法 这些方法与理论是根据不同的物质运动形式和运动 体系形成的。结合生物反应器系统的特点，将这些 原理应用于认识生物反应器复杂系统所具有的一个 方面的系统性质
质量作用
酶浓度变化
变构控制 m-RNA控制 种群选择 进化
不同时空尺度物质运动的规律
物理学：基本概念及其与方方面面的联系
阿特*霍布森 著
运动描述的简约形式
宏观物质时空系统----确定性------线性
微观物质时空系统----随机性------概率
介观时空系统 ----演变过程----自组织
四、时空多尺度观念的建立
所认识的一些典型时空尺度
熟 视 基因水平的分子尺度属于纳尺度范围，一 无 睹 般在10-9M以下 令 人 -8 -4 细胞代谢属于微尺度范围，在10 -10 M之 惊 间 异 的 反应器工程属于介尺度范围，在10-3-10-2M 尺 度 之间 变 化
生物反应器空间多尺度
生物反应器时间多尺度
h=6.626x10-34焦耳•秒
Indeterminate relationship ΔEΔt≈h=ΔxΔp
鬼场(gespensterfield)一种非物理的波动引导光子的运动，其
波动振幅的平方即波动的强度，决定着光子出现的概率（光 子的密度）
量子力学的主要特征：概率幅
概率幅 矩阵元 波函数
流体力学建立的理论基础-----连续介质 10-8cm，10-7cm，10-6 cm -----l 10-1 cm ----- L l <<a<<L
8*10-4 cm 4*1018 cm 0.5 cm 4*1022 cm 10-4 cm
流体中的混沌与自组织
流体层流状态 涡流运动状态 湍流 雷诺数： 2320 > Re = ρ UL/μ < 10000
模拟人
整合生物反应器中不同尺度物质运动的规律
确定跨尺度作用范围、剖析跨尺度过程
生物过程时空多尺度复杂系统的建立
试验校正模拟过程
三、几个小问题
为什么大肠杆菌的核质在菌体细胞的中心？ 您认为基质分子是怎么进入菌体的？动态 菌体内部的能量是如何分布的？您自身呢？ 发酵罐中搅拌桨产生的能量是如何扩散的？ 从原子核 原子 水分子 DNA分子 细胞 漩涡 反应器的尺寸比例是多少？ 原子核中可以产生电子吗？ 一张纸如何将射击过来的子弹反弹回去？ 物质的能量从何而来？
处理多尺度问题数学思想的重塑
• 微分过程趋近于具有实际意义物质时空尺度范
围的，而不是趋于无穷小 • 离散过程趋近于具有实际意义物质时空运动的 过程，而不是机械的分形 • 随机过程为初始值敏感性的自组织过程，为系 统内部所固有的内秉随机性 • 用实际的时空尺度约束数学的模拟过程
五、流体与生物反应器时空多尺度
我们曾经寻找 过坚实的基础， 但一无所获。 我们洞察得越 深，就发现宇 宙越是动荡不 安；所有的事 物都在奔腾跳 跃，跳着狂野 的舞蹈。
-----波恩
多时空尺度研究的学科类别
凝聚态物理学
冯瑞ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高等教育出版社
七、现阶段微生物反应工程基本内容 之现状及其与时空多尺度理论的关系
蕴含的生物反应器时空多尺度研究基础
没 复杂系统多尺度结构的普遍性 有 时 尺度的因素不仅存在于化工中，美国 空， 1999-04-02出版的Science是复杂科学问题 何 的专刊， 来 “多尺度”的术语已经被广泛地使用， 多 但不同人所认同的“尺度”的含义可能不 尺 相同，往往是每一种尺度的划分及其尺度 间的相关特性都有其某一学科发展的背景。度？
不同尺度的网 络状态关系
生命所特有的信息流、 物质流、能量流
由概率到线性的过程
具有“变化着的结构” 不仅是线性或动力学 因素
多种概率和线性的过 程组合作用过程
并联组合 串联组合
跨尺度测量与控制
往往以各自研究的技 术背景从单一尺度去 理解和分析研究生物 过程的特点
呈网络多输入多输出关系
流体研究的框架
流体力学 相变过程 界面现象 自组织运动 分子热运动 单个分子的运动 能量的量子运动 各研究与生物过程的耦合
六、微观时空尺度---量子主宰的鬼场
摒弃电子云、价键、粒子等实体的概念 布朗运动 丁达尔现象 波（pilot）-粒二象性 λ=h/p ε=hv
• 微生物和细胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑 制、亚基的结合和解离、共价修饰和降解）控制的时 间常数描述在ms至s的范围内 • 基因表达调控水平上（诱导、转录的抑制和去抑制） 描述至min • 细胞内酶的浓度变化与菌体生长由小时至天为单 • 种群选择和进化水平上则描述至更大的单位 -6 -4 -2 0 2 4 6 [s] log tim
缺乏时空多尺度研究的现状 明确了时空多尺度理论发展方向
1.微生物生长和反应过程研究
基质进入细胞，胞内反应，代谢产物
的胞内外分泌等全过程进行分析。 分解代谢、合成代谢和大分子物质合
成之间的物质和能量的关系。
2.发酵过程的化学计量学和热力学研究
1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成
分。
生物反应器的时空多尺度复杂 系统的理论框架构建
一、生物反应器研究的误区
生物反应器研究中时空尺度模糊 从宏观 介观 微观，缺乏系统认识 缺乏多尺度的量化 没有生物物质作用过程的动态研究 没有复杂系统的分析
二、解决思路
构建生物反应器中各个空间尺度的结构
确定不同过程时间尺度的转换与聚集程度
贝纳德对流
搅拌浆温度场的液晶显示
王志锋, 黄雄斌 等 不同桨型的搅拌槽中非稳态温度场分布的研究 高校化学工程学报2002，16（6）：609-613
时空多尺度中流体的位置
构成连续的场 从微观分子随机运动到介观自组织 运动到宏观的线性运动，都包含其中。 从搅拌浆的角度出发，以流体力学的理论体系研究 流体宏观到介观运动。 从分子的角度出发，以分子统计理论研究群体分子 的热运动；以量子力学的理论体系研究单个分子运 动。 流体提供了从微观到宏观的联系主线，为生命活动 的研究提供了载体。
以“速率”为内容的基础研究：研究生物反应的速 率及其影响因素
本征动力学：生长动力学方程Monod方程、结构模 型和非结构模型 宏观动力学研究：一定反应器内检测到的反应速率 生物反应工程：是指包括影响微生物反应宏观动力 学的生物反应器形式、结构、操作方式、物料混和 传递过程特性等。
发酵过程优化原理研究
题研究
“多尺度”的提法和研究最早出现 在化学工程学科领域
以“单元操作”和“过程传递”为标志的传统方 法已不能满足这一需求，研究流动、传递、分相和反 应多尺度（范围小至分子，大至河流、大气）行为和 同一尺度下这些现象共存的规律，是当前化学工程定 量化的趋势。 时空多尺度特征是过程工程中所有复杂现象的共 同特征。对物质转化系统进行研究时，如果以某一物 质现象的不同尺度作为对象，一旦找出可遵偱的关系， 就可能从现象到本质，过程研究与控制将发生质的变 化。