下载文档原格式
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。
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）。
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。
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。
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。
