生物反应器时空多尺度复杂系统的理论框架构建.pptx

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 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 模拟人 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？ 四、时空多尺度观念的建立 所认识的一些典型时空尺度 生物反应器空间多尺度 基因水平的分子尺度属于纳尺度范围，一般在10-9M以下 细胞代谢属于微尺度范围，在10-8-10-4M之间 反应器工程属于介尺度范围，在10-3-10-2M之间 熟视无睹令人惊异的尺度变化 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 生物反应器时间多尺度 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 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 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 aL 8*10-4 cm 0.5 cm 4*1018 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 = ρUL/μ 10000 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= ρcL/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 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。 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 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 一代神话----哥本哈根学派 关洪 著