過(guò)程參數(shù)檢測(cè)(工程碩士)-緒論補(bǔ)充

2012年過(guò)程參數(shù)檢測(cè)(工程碩士)——緒論補(bǔ)充第一頁(yè)，共79頁(yè)。2.1生物反應(yīng)器過(guò)程的多尺度效應(yīng)與工程學(xué)原理

2.1.1生物反應(yīng)過(guò)程多尺度系統(tǒng)

2.1.2生物反應(yīng)器中多尺度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1.3跨尺度觀察與控制

2.2細(xì)胞代謝流分析為核心的發(fā)酵工程關(guān)鍵技術(shù)

2.3方法和裝備技術(shù)研究

2.4應(yīng)用與結(jié)果第二頁(yè)，共79頁(yè)。2.1生物反應(yīng)器過(guò)程的多尺度效應(yīng)與工程學(xué)原理第三頁(yè)，共79頁(yè)。發(fā)酵工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用發(fā)酵工程的新內(nèi)涵──生物技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化食品：新型食品添加劑、防腐劑、功能食品基因工程產(chǎn)品：新藥、抗體疫苗、酶生物基化工產(chǎn)品：可降解塑料、1,3丙二醇、生物乙烯生物能源:

纖維素乙醇、生物柴油環(huán)境保護(hù)：利用生物法治理環(huán)境污染農(nóng)業(yè)發(fā)展環(huán)境：飼料、農(nóng)副產(chǎn)品深加工、生物肥料、土壤改造、農(nóng)藥發(fā)酵工程產(chǎn)品涉及眾多行業(yè)領(lǐng)域：輕工(食品)、醫(yī)藥(發(fā)酵類）化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等第四頁(yè)，共79頁(yè)。技術(shù)發(fā)展中面臨的主要問(wèn)題存在問(wèn)題：優(yōu)化與放大技術(shù)效率低（10-30%），周期長(zhǎng)（月、年）優(yōu)化與放大困難：傳感器提供了大量生物學(xué)信息全局動(dòng)態(tài)優(yōu)化與放大困難基因、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)、代謝途徑…溫度、攪拌、pH、DO、培養(yǎng)基配方…

對(duì)于活體細(xì)胞調(diào)控來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)的生物學(xué)方法或化學(xué)工程的調(diào)控方法，存在很大的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外都沒有很好解決。第五頁(yè)，共79頁(yè)。2.1.1.微生物發(fā)酵過(guò)程復(fù)雜系統(tǒng)多尺度參數(shù)相關(guān)分析機(jī)制與理論上萬(wàn)個(gè)基因，上千個(gè)代謝物和反應(yīng)器的混合傳遞基因網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞代謝網(wǎng)路、反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)（不同的空間尺度和時(shí)間尺度）不是簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)間的多輸入多輸出關(guān)系──物質(zhì)流、能量流、信息流生命屬性所特有的時(shí)空串聯(lián)反應(yīng)關(guān)系第六頁(yè)，共79頁(yè)。不同尺度的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)關(guān)系第七頁(yè)，共79頁(yè)。參數(shù)相關(guān)分析與跨尺度測(cè)量每個(gè)尺度網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)間的輸入輸出，形成對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)總體的影響，表現(xiàn)在不同尺度參數(shù)相關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中與基因、細(xì)胞、反應(yīng)器多尺度變化相關(guān)的宏觀細(xì)胞代謝流和反應(yīng)器物質(zhì)流參數(shù)檢測(cè)發(fā)酵過(guò)程海量的數(shù)據(jù)處理：軟件包與模型的建立尋找過(guò)程敏感參數(shù)，通過(guò)對(duì)敏感參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整實(shí)現(xiàn)跨尺度的優(yōu)化,找到發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化或放大關(guān)鍵問(wèn)題第八頁(yè)，共79頁(yè)。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化和放大研究中的科學(xué)問(wèn)題長(zhǎng)期來(lái)，對(duì)于微生物過(guò)程優(yōu)化的研究只是停留在細(xì)胞外的反應(yīng)器過(guò)程可操作因素的研究，雖然也有化學(xué)工程的學(xué)科原理，但局限性很大。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，但是由于單一生理調(diào)控機(jī)制出發(fā)的研究往往只揭示了生理調(diào)控的局部和某一時(shí)段的特點(diǎn)，難以對(duì)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制和放大起決定性作用。

如何把生物學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合，解決局部與整體、時(shí)變動(dòng)態(tài)與最終結(jié)果、菌種改造與過(guò)程優(yōu)化的關(guān)系。第九頁(yè)，共79頁(yè)。

以各自研究的技術(shù)背景從單一尺度去理解和分析研究發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn)第十頁(yè)，共79頁(yè)。菌種選育或基因構(gòu)的研究人員對(duì)分子尺度的DNA變化有深刻的理解研究各種菌種突變和篩選方法采用編碼生物合成途徑中關(guān)鍵酶基因質(zhì)粒轉(zhuǎn)移或改造來(lái)改良生產(chǎn)菌種組合生物合成：微生物的多樣性和次級(jí)代謝物的多樣性，以及天然資源中獲得的有意義基因，通過(guò)重組、組合或互補(bǔ)形成高生產(chǎn)水平或新結(jié)構(gòu)的化合物的多酶體系基因工程構(gòu)建：綜合考慮控制轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性及向胞外分泌等諸多方面因素，以及表達(dá)載體，宿主系統(tǒng)特性等第十一頁(yè)，共79頁(yè)。細(xì)胞代謝特性研究細(xì)胞形態(tài)學(xué)細(xì)胞生理學(xué)代謝途經(jīng)：以代謝調(diào)控為核心的外部環(huán)境條件控制缺乏主動(dòng)性和目標(biāo)性，很大部分還停留在經(jīng)驗(yàn)摸索水平上代謝工程：采用基因工程重組技術(shù)對(duì)細(xì)胞酶、運(yùn)輸和調(diào)節(jié)功能進(jìn)行處理來(lái)改善細(xì)胞代謝途經(jīng)的技術(shù)。擴(kuò)展細(xì)胞代謝途經(jīng)，得到新的代謝物。強(qiáng)化瓶頸部分的代謝流，達(dá)到提高菌株或細(xì)胞株的生產(chǎn)水平第十二頁(yè)，共79頁(yè)。工程化研究操作變量?jī)?yōu)化：通氣、攪拌、補(bǔ)油方式、補(bǔ)料方式狀態(tài)變量?jī)?yōu)化：溫度、DO、pH、溶解CO、氧化還原電位……設(shè)備設(shè)計(jì)：通氣比、攪拌功率、H/D、d/D、攪拌槳形式、裝料系數(shù)、總空氣管距離、滅菌方式……化學(xué)工程三傳（動(dòng)量、質(zhì)量、熱量）問(wèn)題研究，放大技術(shù)（無(wú)因次、時(shí)間常數(shù)、數(shù)學(xué)模擬、經(jīng)驗(yàn)法則）計(jì)算流體力學(xué)研究第十三頁(yè)，共79頁(yè)。

空間尺度與時(shí)間尺度

基因水平的分子尺度屬于納尺度范圍，一般在10-9M以下

細(xì)胞尺度屬于微尺度范圍，在10-8-10-4M之間

反應(yīng)器尺度屬于介尺度范圍，在10-3-102M之間

第十四頁(yè)，共79頁(yè)。

-6-4-20246[s]logtime酶濃度變化質(zhì)量作用變構(gòu)控制m-RNA控制種群選擇進(jìn)化微生物和細(xì)胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑制、亞基的結(jié)合和解離、共價(jià)修飾和降解）控制的時(shí)間常數(shù)描述在ms至s的范圍內(nèi)基因表達(dá)調(diào)控水平上（誘導(dǎo)、阻遏）描述至min細(xì)胞內(nèi)酶的濃度變化與菌體生長(zhǎng)由小時(shí)至天為單位種群選擇和進(jìn)化水平上則描述至更大的單位第十五頁(yè)，共79頁(yè)?；蚪M環(huán)境組轉(zhuǎn)錄組蛋白組代謝組基因操作過(guò)程優(yōu)化TCS調(diào)控網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)第十六頁(yè)，共79頁(yè)。2.1.2

微生物反應(yīng)工程尺度劃分根據(jù)不同的研究要求和相關(guān)的學(xué)科發(fā)展，可以有不同的劃分以細(xì)胞過(guò)程為研究對(duì)象：分子層次尺度、分子聚集體尺度、細(xì)胞細(xì)微結(jié)構(gòu)尺度和細(xì)胞尺度上進(jìn)行多尺度系統(tǒng)研究。生物反應(yīng)器的混和傳遞特性研究：可以將系統(tǒng)分解為單顆粒的微尺度、團(tuán)聚物的介尺度和設(shè)備的宏尺度。揭示生命過(guò)程基因信息傳遞規(guī)律：可以使用量子化學(xué)的方法從電子和原子核到DNA生物大分子這一尺度跨越研究第十七頁(yè)，共79頁(yè)。2.2

生物反應(yīng)器中多尺度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特點(diǎn)第十八頁(yè)，共79頁(yè)。2.2.1復(fù)雜系統(tǒng)多尺度結(jié)構(gòu)的普遍性

“多尺度”的提法最早出現(xiàn)在化學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域

以“單元操作”和“過(guò)程傳遞”為標(biāo)志的傳統(tǒng)方法已不能滿足這一需求，研究流動(dòng)、傳遞、分相和反應(yīng)（范圍小至分子，大至河流、大氣）多尺度行為和同一尺度下這些現(xiàn)象共存的規(guī)律，是當(dāng)前化學(xué)工程定量化的趨勢(shì)。

時(shí)空多尺度特征是過(guò)程工程中所有復(fù)雜現(xiàn)象的共同特征。對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，如果以某一物質(zhì)現(xiàn)象的不同尺度作為對(duì)象，一旦找出可遵偱的關(guān)系，就可能從現(xiàn)象到本質(zhì)，過(guò)程研究與控制將發(fā)生質(zhì)的變化。

第十九頁(yè)，共79頁(yè)。復(fù)雜系統(tǒng)多尺度結(jié)構(gòu)的普遍性

尺度的因素不僅存在于化工中，美國(guó)1999-04-02出版的Science是復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題的?？?/p>

“多尺度”的術(shù)語(yǔ)已經(jīng)被廣泛地使用，但不同人所認(rèn)同的“尺度”的含義可能不相同，往往是每一種尺度的劃分及其尺度間的相關(guān)特性都有其某一學(xué)科發(fā)展的背景。

第二十頁(yè)，共79頁(yè)。2.2.2

活細(xì)胞為主體生物反應(yīng)器過(guò)程的尺度劃分作為工業(yè)過(guò)程研究，應(yīng)抓住多尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能和制備的關(guān)系

可以分為基因分子水平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞水平的代謝網(wǎng)絡(luò)與生物反應(yīng)器系統(tǒng)的宏觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是不同尺度的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)微生物代謝流是這一網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的的核心問(wèn)題。微生物的代謝流處于不斷變化之中，其方向、流量甚至所流經(jīng)的途徑都可能發(fā)生變化。這就是微生物代謝流的變動(dòng)性和代謝網(wǎng)絡(luò)中途徑的選擇性。

第二十一頁(yè)，共79頁(yè)。2.2.3

具有“變化著的結(jié)構(gòu)”

當(dāng)生物反應(yīng)器尺寸或操作條件變化時(shí)，發(fā)生的結(jié)果變化不是簡(jiǎn)單的用線性關(guān)系或平均統(tǒng)計(jì)方法所能描述的物質(zhì)狀態(tài)的變化。導(dǎo)致過(guò)程變化的原因除了線性或動(dòng)力學(xué)因素之外，往往還發(fā)生在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性的突變。雖然這種結(jié)構(gòu)性突變從本質(zhì)上看還是動(dòng)力學(xué)行為，但由于不同尺寸的邊界條件難以區(qū)分，甚至還未能發(fā)現(xiàn)，就造成系統(tǒng)結(jié)果的差異或最優(yōu)過(guò)程的嚴(yán)重偏離。

第二十二頁(yè)，共79頁(yè)。由于不同尺寸的邊界條件難以區(qū)分，甚至還未能發(fā)現(xiàn)，就造成系統(tǒng)結(jié)果的差異或最優(yōu)過(guò)程的嚴(yán)重偏離

經(jīng)典的以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性變化的非線性特征第二十三頁(yè)，共79頁(yè)。

2.2.4

動(dòng)態(tài)研究與定態(tài)研究變構(gòu)效應(yīng)研究為例：從分子層次尺度上的應(yīng)答進(jìn)行研究,當(dāng)一個(gè)小分子作用于變構(gòu)酶的某些位點(diǎn)時(shí)，必然引起一系列后續(xù)變化。由快反應(yīng)引發(fā)的慢過(guò)程，也就是小分子在大分子上的極快的結(jié)合引起相對(duì)慢的構(gòu)象變化，有時(shí)甚至引起的構(gòu)象改變通過(guò)大分子鏈由近及遠(yuǎn)地傳到遠(yuǎn)離結(jié)合位點(diǎn)的地方這種在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件和極長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件相互關(guān)聯(lián)，使快反應(yīng)延伸為慢過(guò)程，時(shí)間跨度大

第二十四頁(yè)，共79頁(yè)。2.2.5

子尺度分析以化學(xué)工程“三傳一反”為基本內(nèi)容的計(jì)算流體力學(xué)。對(duì)生命過(guò)程的認(rèn)識(shí)，包括各種產(chǎn)物的生物合成機(jī)制、代謝調(diào)控與代射工程功能基因、基因突變與重組技術(shù)、RNA調(diào)控等，都有系統(tǒng)而深入的研究，并且不斷有新的發(fā)現(xiàn)。這些都為我們研究子過(guò)程提供了重要的基礎(chǔ)，必須及時(shí)地把有關(guān)內(nèi)容歸納到子尺度研究中。

第二十五頁(yè)，共79頁(yè)。

2.2.6

跨尺度觀察與操作工業(yè)規(guī)模的生物過(guò)程只能在反應(yīng)器尺度上進(jìn)行測(cè)量與操作可以從低一尺度層次的規(guī)律或性質(zhì)，來(lái)預(yù)測(cè)研究另一尺度層次的規(guī)律或性質(zhì)多尺度綜合與各子過(guò)程的相互量化關(guān)系，澄清不同尺度間相互作用和耦合的原則和條件跨尺度操作是難題，分析跨尺度問(wèn)題往往需要納入跨學(xué)科和跨技術(shù)的手段

第二十六頁(yè)，共79頁(yè)。2.3細(xì)胞代謝流分析為核心的發(fā)酵工程關(guān)鍵技術(shù)第二十七頁(yè)，共79頁(yè)。2.3.1

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的互動(dòng)關(guān)系

多尺度問(wèn)題研究為我們研究生物反應(yīng)器中提供了重要的方法和線索

細(xì)胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性是研究生物反應(yīng)器中多尺度關(guān)聯(lián)問(wèn)題的有效方法

第二十八頁(yè)，共79頁(yè)。

2.3.2細(xì)胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性生物反應(yīng)器細(xì)胞生長(zhǎng)第二十九頁(yè)，共79頁(yè)。

2.3.2細(xì)胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性細(xì)胞生長(zhǎng)Xm(cp)Pco2P細(xì)胞水平的代謝動(dòng)力學(xué)SUROURHERH+CERPPR傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器物料流反饋控制

必需高度重視代謝流及其對(duì)反應(yīng)器的影響產(chǎn)物與代謝流有關(guān)不同層次反應(yīng)的關(guān)聯(lián)方法(IFB)葡萄糖氮源前體油rpmFH+熱(MVS)SFROTRHTRH+FR反應(yīng)器混和與傳遞常規(guī)控制器生物反應(yīng)器sDO剪切TpH(EVs)(PVs)第三十頁(yè)，共79頁(yè)。(3)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型方法復(fù)雜性多容量過(guò)程高度非線性動(dòng)態(tài)性不可預(yù)測(cè)性線性或擬線性關(guān)系的數(shù)學(xué)摸型發(fā)酵生產(chǎn)完整過(guò)程發(fā)酵過(guò)程參數(shù)趨勢(shì)曲線相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)學(xué)模型、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化、系統(tǒng)識(shí)別、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、各種混沌現(xiàn)象的研究困難跨尺度觀察第三十一頁(yè)，共79頁(yè)。2.4方法和裝備技術(shù)研究第三十二頁(yè)，共79頁(yè)?；痉椒ā?/p>

基于參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過(guò)程多水平(尺度)問(wèn)題研究的優(yōu)化技術(shù)●

發(fā)酵過(guò)程多參數(shù)調(diào)整的放大技術(shù)多參數(shù)趨勢(shì)曲線相關(guān)區(qū)分三個(gè)水平(尺度)問(wèn)題生物反應(yīng)器的傳遞與混和細(xì)胞代謝流的遷移不同環(huán)境條件下的代謝動(dòng)力學(xué)特征基因水平的啟動(dòng)與表達(dá)…關(guān)鍵技術(shù)第三十三頁(yè)，共79頁(yè)。用于發(fā)酵過(guò)程數(shù)據(jù)優(yōu)化與放大的專用裝置

以生物反應(yīng)器中的觀點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模發(fā)酵罐，具有十四個(gè)以上發(fā)酵過(guò)程在線參數(shù)檢測(cè)或控制。在原理上與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外生物反應(yīng)器有重大區(qū)別。物料流檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)第三十四頁(yè)，共79頁(yè)。參數(shù)檢測(cè)配置示意圖關(guān)鍵技術(shù)第三十五頁(yè)，共79頁(yè)。在2000年上海國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上展出的FUS-50L(A)發(fā)酵罐關(guān)鍵技術(shù)第三十六頁(yè)，共79頁(yè)。增加了自閉環(huán)控制熱質(zhì)量流量計(jì)、直插式隔膜罐壓傳感器、不同量程范圍的補(bǔ)料電子稱、抗干擾的高精度培養(yǎng)液稱重技術(shù)等參數(shù)檢測(cè)技術(shù)；同時(shí)直接檢測(cè)溫度、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣流量、罐壓、消泡、pH、溶解氧濃度（DO）、發(fā)酵液真實(shí)體積（或重量）、三個(gè)補(bǔ)料量、排氣CO2和O2等十四個(gè)在線參數(shù)，并在線精確計(jì)算得到OUR、CER、RQ、KLα、μ等重要的間接參數(shù)；配備功能強(qiáng)大的下位機(jī)控制軟件和上位機(jī)生物過(guò)程檢測(cè)軟件（BIORADARTM，專利申請(qǐng)?zhí)枺?0127308.6）計(jì)算機(jī)軟件包；代替噸級(jí)中試發(fā)酵罐，具有更優(yōu)越的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與放大性能。新概念發(fā)酵罐的嶄新特點(diǎn)第三十七頁(yè)，共79頁(yè)。溫度傳感器、耐高溫pH和溶氧（DO）傳感器第三十八頁(yè)，共79頁(yè)。通氣質(zhì)量流量計(jì)第三十九頁(yè)，共79頁(yè)?！鴫毫鞲衅鳕嬰娮映有聜鞲屑夹g(shù)第四十頁(yè)，共79頁(yè)。

補(bǔ)料測(cè)量與控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)：流速調(diào)整幅度大(從0.1ml/h-5L/h)，可變速蠕動(dòng)泵，占空比可調(diào)整的開關(guān)控制。第四十一頁(yè)，共79頁(yè)。全罐電子秤稱重系統(tǒng)新傳感技術(shù)第四十二頁(yè)，共79頁(yè)。博山電機(jī)稀土電機(jī)進(jìn)口電機(jī)電機(jī)第四十三頁(yè)，共79頁(yè)。底閥第四十四頁(yè)，共79頁(yè)。第四十五頁(yè)，共79頁(yè)。軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理功能BlORADAR。在線檢測(cè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室手工測(cè)定參數(shù)間接參數(shù)(代謝流特征或工程特征)適應(yīng)多種反應(yīng)器特點(diǎn)融合多種過(guò)程理論和控制理論工藝分析與操作遠(yuǎn)程通訊與異地?cái)?shù)據(jù)傳送和分析關(guān)鍵技術(shù)第四十六頁(yè)，共79頁(yè)。計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理軟件包適應(yīng)多種反應(yīng)器特點(diǎn)，融合多種過(guò)程理論和控制理論，便于發(fā)酵過(guò)程工藝分析和優(yōu)化操作。第四十七頁(yè)，共79頁(yè)。工業(yè)生物過(guò)程研究方法與科學(xué)問(wèn)題工業(yè)用菌種改造是高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，又有難度，常規(guī)誘變育種、基因工程改造等往往在現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)菌種改造中發(fā)揮的作用有限工業(yè)生物過(guò)程更注重菌體基因變化后對(duì)生產(chǎn)有重大影響的表型變化，表型多態(tài)性，全局調(diào)控系統(tǒng)生物學(xué)研究工業(yè)生物過(guò)程中所有的基因、蛋白質(zhì)、組分間的所有相互關(guān)系，是對(duì)生物的全域性（global）研究為特征

系統(tǒng)生物學(xué)指導(dǎo)的細(xì)胞生理特性研究系統(tǒng)生物學(xué)指導(dǎo)的工業(yè)生產(chǎn)菌株改造第四十八頁(yè)，共79頁(yè)。組學(xué)研究（x-ome)Transcriptome:

(DNAoligonucleotideandcDNAmicroarrays)Proteome:

(Two-dimensionalgelelectrophoresiscoupledtoMSordirectMSanalysis)Fluxome:

(isotopicallylabeledsubstratescoupledtodetectionbyGC-MSMetabolome:

(numerousanalyticalmethodsincludingLC-MSandGC-MS)measurementsinsilico:IndustrialbiotechnologyisbeginningtoexploitthebenefitsofthesetoolsrealizingthatmetabolicengineeringstrategiesforimprovedprocessdevelopmentmayfirstbescreenedinsilicoExperiment:high-probabilityofsuccesslistofgeneticperturbationsthatshouldbeexperimentallyvalidated.Highlyiterative:Theprocessishighlyiterative,withstrainconstructionandcharacterizationprovidingnewx-omedatathatcanbeusedtoimprovethemodels第四十九頁(yè)，共79頁(yè)。阿維菌素發(fā)酵蛋白譜

建立匹配組和比較組

其中“△”為L(zhǎng)andmarker，“□”和“□”為手動(dòng)匹配蛋白點(diǎn)，其余字母代表自動(dòng)匹配蛋白點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的2-DE凝膠上進(jìn)行切點(diǎn)、酶解、MS/MS鑒定。根據(jù)肽指紋圖譜（PMF）信息，通過(guò)NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索，共有132種蛋白被成功匹配第五十頁(yè)，共79頁(yè)。碳水化合物運(yùn)輸和代謝為例差異蛋白質(zhì)分析

S.avermitilis

在TSB（左）和復(fù)合培養(yǎng)基（右）中差異表達(dá)蛋白點(diǎn)（碳代謝）?！啊稹贝韽?fù)合培養(yǎng)基上調(diào)蛋白點(diǎn)；“□”代表復(fù)合培養(yǎng)基中下調(diào)蛋白點(diǎn)amyA2編碼的α淀粉酶icdA編碼的異檸檬酸脫氫酶第五十一頁(yè)，共79頁(yè)。生物芯片中心SOM分析阿維菌素合成速率與基因表達(dá)第五十二頁(yè)，共79頁(yè)。生物信息處理顯著性趨勢(shì)分析（STC） 主流表達(dá)趨勢(shì)所含基因的功能顯著性分析（Stc-GO） 差異基因表達(dá)調(diào)控的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)——Dynamic-GeneNet基因功能的顯著性分析——GO-Analysis顯著性功能之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)—GO-Map

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的顯著性分析——PathwayAnalysis

通路間的相互作用網(wǎng)絡(luò)分析—Path-Net信號(hào)流分析——Signal-flow

第五十三頁(yè)，共79頁(yè)。Yx/sYp/smoYp/sYx/smo恒化器(chemostat)與宏觀動(dòng)力學(xué)研究第五十四頁(yè)，共79頁(yè)。13C微觀代謝流測(cè)試批發(fā)酵、動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)與生產(chǎn)階段中心代謝與次級(jí)代謝第五十五頁(yè)，共79頁(yè)。維生素B12發(fā)酵不同代謝途徑支路代謝物的13C豐度第五十六頁(yè)，共79頁(yè)。

生物反應(yīng)器流場(chǎng)特性與細(xì)胞生理特性相結(jié)合的過(guò)程放大技術(shù)第五十七頁(yè)，共79頁(yè)?？茖W(xué)問(wèn)題的提出生物體與環(huán)境變化的適應(yīng)性──環(huán)境組學(xué)反應(yīng)器流場(chǎng)特性的非一致性──不可能同時(shí)做到放大時(shí)幾何相似、流體遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)相似、流體動(dòng)力學(xué)相似主要靠人工經(jīng)驗(yàn)的逐級(jí)放大，周期長(zhǎng)、效果差第五十八頁(yè)，共79頁(yè)。基因組測(cè)序組學(xué)分析構(gòu)建全基因組代謝模型細(xì)胞功能模擬、預(yù)測(cè)基因靶點(diǎn)基因操作：基因增強(qiáng)基因敲除異源表達(dá)宏觀代謝特性代謝流為核心的過(guò)程組學(xué)分析代謝特性的動(dòng)態(tài)多尺度相關(guān)分析過(guò)程調(diào)控目標(biāo)過(guò)程控制過(guò)程優(yōu)化菌種改造過(guò)程性能評(píng)估恒化培養(yǎng)計(jì)量化學(xué)研究組學(xué)分析:微觀代謝解析新代謝網(wǎng)絡(luò)FBA生物過(guò)程研究（時(shí)變）比較基因基因注釋環(huán)境特性研究細(xì)胞內(nèi)生命過(guò)程高噸位發(fā)酵罐放大流場(chǎng)特性CFD模擬生物反應(yīng)器過(guò)程研究（不均勻流場(chǎng)）過(guò)程放大Insilicowet高通量篩選細(xì)胞結(jié)構(gòu)性能研究（靜態(tài)）多輪操作多輪操作多輪操作多尺度參數(shù)相關(guān)分析基于系統(tǒng)生物技術(shù)的工業(yè)生物制造研究第五十九頁(yè)，共79頁(yè)。多尺度參數(shù)相關(guān)分析方法在檸檬酸發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中的應(yīng)用第六十頁(yè)，共79頁(yè)。解除ATP、檸檬酸的抑制AMPPi激活作用NH4+丙酮酸代謝固定CO2順烏頭酸酶失活：

Fe2+異檸檬酸失活:

Cu2+0.3mg/L、Fe2+2mg/L和pH2.0情況下α-酮戊二酸脫氫酶的調(diào)節(jié):高葡萄糖和NH4+阻遏檸檬酸積累的代謝調(diào)節(jié)產(chǎn)品第六十一頁(yè)，共79頁(yè)。1.3-二磷酸甘油酸ADPATP3磷酸甘油酸葡萄糖甘油醛-3-磷酸NADHNAD+PEP丙酮酸ADPATP乙酰CoANAD+NADH1/2O2+H+NADH呼吸鏈NAD+2e-H2O3ATP3ADP能荷增加則抑制PFK等關(guān)鍵酶的酶活，使葡萄糖到檸檬酸的代謝受影響。能荷的調(diào)節(jié)保證NAD+供應(yīng)氧的需求對(duì)PFK的抑制第六十二頁(yè)，共79頁(yè)。原有發(fā)酵過(guò)程中的控制參數(shù)

現(xiàn)有生產(chǎn)中是很粗獷的，在培養(yǎng)過(guò)程中除了對(duì)溫度和罐壓進(jìn)行控制外，其他的都處于不控制狀態(tài)。（沒有溶氧儀、空氣流量計(jì)等），培養(yǎng)過(guò)程中不調(diào)控pH、不流加其他任何物質(zhì)。───摘自中糧豐原生物化學(xué)公司技術(shù)報(bào)告O2、CO2、pH、無(wú)機(jī)離子、NH4、糖、氮源…菌種誘變、基因改造、途徑酶活、…發(fā)酵過(guò)程全局優(yōu)化？第六十三頁(yè)，共79頁(yè)。

用于檸檬酸發(fā)酵研究的實(shí)驗(yàn)室裝置尾氣分析系統(tǒng)—質(zhì)譜儀多參數(shù)實(shí)驗(yàn)室檸檬酸發(fā)酵罐（包括CO2、OPR、生物量等16個(gè)傳感器和控制回路）第六十四頁(yè)，共79頁(yè)?；谏镄畔⑻幚淼纳镞^(guò)程研究第六十五頁(yè)，共79頁(yè)。宏觀代謝流與微觀代謝流丙酮酸代謝固定CO2跨尺度測(cè)量RQ與產(chǎn)物之間的關(guān)系研究RQ值動(dòng)態(tài)變化與菌種改造、操作條件（操作、培養(yǎng)基、設(shè)備）的關(guān)系細(xì)胞內(nèi)：代謝途徑中的CO2固定RQ檸檬酸產(chǎn)物發(fā)酵罐測(cè)量參數(shù)第六十六頁(yè)，共79頁(yè)。供氧與RQ值之間的關(guān)系OUR下降，RQ上升：缺乏NAD+→CO2固定↓40%臨界氧：成團(tuán)菌絲內(nèi)氧擴(kuò)散梯度增加當(dāng)DO↓→OUR↓耗氧與RQ值的關(guān)系：NAD缺乏40%臨界氧：菌絲成團(tuán)菌形與產(chǎn)量：高產(chǎn)表型PCO2與固定CO2的關(guān)系流場(chǎng)（剪切、濃度）與菌形、O2、CO2的關(guān)系：裝備設(shè)計(jì)與放大第六十七頁(yè)，共79頁(yè)。不同操作條件下的參數(shù)相關(guān)特性第11批全清液發(fā)酵活細(xì)胞電容值X、干重（菌濃）、pH與OUR、CER關(guān)系第9批發(fā)酵過(guò)程溫度對(duì)OUR的影響第8、9和10批發(fā)酵過(guò)程RQ等參數(shù)變化第六十八頁(yè)，共79頁(yè)?？商峁┑钠脚_(tái)技術(shù)多尺度參數(shù)相關(guān)過(guò)程優(yōu)化研究技術(shù)菌體細(xì)胞生理特性的恒化器技術(shù)研究流場(chǎng)特性與生理特性研究相結(jié)合過(guò)程放大技術(shù)過(guò)程宏觀代謝流、傳感器配置與在線數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與控制軟件包生物反應(yīng)器CFD流場(chǎng)特性研究穩(wěn)定性13C微觀代謝流測(cè)定技術(shù)發(fā)酵過(guò)程蛋白譜研究技術(shù)發(fā)酵過(guò)程轉(zhuǎn)錄譜與基因芯片技術(shù)研究菌種基因工程改造與系