课题3．生化反应过程放大原理与方法 课题4．生物/化学方法耦联设计与调控 课题5．工业生物过程单元耦合与集成 课题6．工业生物过程的系统控制与优化
（2） 课题之间的相互关系
各课题相互之间的关系及课题与所需解决科学问题之间的关系如图1所示。各课题通过解决的科学问题实现有机关联，各课题的研究组成了项目研究的循环网络，通过实现各自课题的目标及其关联来实现总体项目目标。其中，课题1为其它课题提供基本原理，课题2和课题3为其它课题提供研究模型和放大方法，课题1-3中产生的理论知识在课题4-6中实现整合。
工业生物过程的工程科学问题 课题1： 大规模培养细胞群体效应科学问题之一科学问题之二 细胞群体效应及过程放大原理原理课题3： 生化反应过程放大原理与方法多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律方法和技术 科学问题之三 课题6：工业生物过程系统控制与优化 生物过程单元耦合与过程优化原理过程和优化 课题2： 多相生化特性分析及生物过程模型化课题4： 生物/化学方法级联设计与调控课题5：工业生物过程单元耦合与集成 图1. 各课题相互关系及各课题对解决科学问题的贡献
3、研究队伍的组织与落实情况
本项目组织了国内微生物学、生物化工、发酵工程等工业生物技术领域的主要优势单位：北京化工大学、清华大学、中科院过程所、天津大学、华东理工大学、江南大学等。集中了工业生物过程领域具有丰富研究经验和研究成就
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的一批学者，专业涉及生物化工、化学工程、发酵工程、分子生物学、生物分离工程、微生物学、生物反应工程、生物化学等，各单位人员在研究过程中密切合作，实现了优势互补。
主要参加人员共49人。其中国家杰出青年基金获得者5人，长江学者1人，中科院百人计划4人,全国百篇优秀论文获得者3人及提名1人。
正高级研究人员29人,包括：
谭天伟（教授）、苏志国（研究员）、元英进（教授）、程易（教授）、陈坚（教授）、庄英萍（教授）、华兆哲（教授）、张嗣良（教授）、江正强（教授）、应汉杰（教授）、万印华（研究员）、刘春朝（研究员）、李寅（研究员）、修志龙（教授）、许平（教授）、岑沛霖（教授）、闻见平（教授）、堵国成（教授）、史仲平（教授）、徐虹（教授）、李振江（教授）、苏海佳（教授）、黄雄斌（教授）、储炬（教授）、郑裕国（教授）、朱勍（教授）、梅乐和（教授）、杨虹（教授）、陈树林（研究员）等。
副高级研究人员 14人,包括：于慧敏（副教授）、赵广荣（副教授）、王玉军（副教授）、杜伟（副教授）、刘立明（副教授）、雷建都（副研究员）、常志东（副研究员）、洪厚胜（副研究员）、冯嵬（副教授）、钱江潮（副教授）、卢文玉（副教授）、王永红（副教授）、刘袖洞（副研究员）等。
高级人员中45岁以下的占79%，实验技术人员站总人数的10%。
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二、研究工作的主要进展
1、项目前两年主要研究内容和目标
研究内容 预期目标
第 一 年
【1】 选择常见的工业模式微生物，进行细胞群体效应的产生机制研究。对具有细胞间信号转导功能的化学分子进行结构与功能确认和定量分析。
【2】 采用现代先进测试仪器，研究生物反应器内非均相体系的微观瞬态流动、传热、传质特性。
【3】 针对特定的生化反应过程，研究放大过程中细胞群体生理特性和细胞代谢及外界环境的相互关系。重点研究不同规模的发酵罐搅拌器形式、转速等对生理特性的影响。
【4】以生物高分子材料合成为研究对象，对生物－化学方法两步级联策略进行集成设计与实践。重要生物基化学品如丙烯酸的生物合成新路线探索。
【5】研究生物代谢过程与膜分离、吸附等高效分离过程的耦合途径。 【6】 研究典型生物过程（如1,3-丙二醇、乳酸、丁醇的发酵等）的优化控制方法
（1） 完成几种常见的工业模式微生物
产生细胞群体效应的检测技术和研究体系建立。
（2） 针对不同反应器型式内多相复杂
体系，建立基于微观瞬态流动、传热、传质特性的测定与分析方法。
（3） 建立用于工业过程放大的流场特
性与细胞生理特性研究方法及其相关分析。
（4） 构建1－2种生物/化学集成新工
艺或重要化学品的生物合成路线。
（5） 构建1-２种反应/分离耦合新方
法。
（6） 提出1－2种典型工业过程的发酵
过程优化控制策略。
（7） 培养博士生10名，硕士生50名。（8） 发表SCI论文10－20篇，专利3-5
项。
（9） 举办国际学术会议1次。
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研究内容
【1】 研究细胞与细胞之间相互作用的基本规律，研究细胞群体效应产生、抑制或消除的关键要素。
【2】 研究多相复杂生物体系质量及能量传递特性的动态变化规律。通过计算机分子模拟，进行新型分离介质的分子设计。【3】 依据细胞代谢流分析与控制、反应器和流体力学参数，进行不同规模的发酵罐搅拌器形式、转速等生物反应过程分析、设计与放大。
【4】 考察级联反应的底物专一性特征，研究级联反应相对于单一化学催化过程的整体活化能降低效应，以及反应激发与促进功能；研究级联方法对总转化率及聚合产物分子量特性的作用规律。
【5】 分析反应/分离耦合过程中的相互关系，研究耦合过程对物质和能量传递和转化效率的促进作用机制及其对代谢功能的调节作用和产品质量的影响规律。
【6】 从原料－转化－分离－废物资源化等生物过程复杂系统的整体性角度出发，研究生物过程各要素相互之间的影响、生物系统与环境之间的相互影响。
预期目标
(1) 建立细胞群体效应临界阈值的测定
方法，获得细胞群体行为的变化规律。
(2) 结合工业生物技术产品大规模发酵
过程，基于细胞生理特性与反应器流场特性相结合的生物反应过程直接放大的探索与实践。
(3) 建立目标代谢途径强化及能量与辅
酶再生途径耦合的优化控制策略。(4) 建立一套多目标产物生物合成过程
系统与调控的方法体系。
(5) 阐明分离介质及工艺对过程单元耦
合的影响规律。
(6) 发展一套控制生物过程各要素之间
和生物系统与环境之间相互关系的优化方法。
(7) 培养博士生10名，硕士生50名 (8) 发表SCI论文30-40篇，专利5－10
项。
(9) 完成中期汇报。
第 二 年
2、计划任务完成情况
前二年计划中的各项研究任务和指标均已顺利完成。获得国家发明二等奖2项(已公示)，国际合作金奖1项，省部科技进步一等奖1项，省部技术发明一等奖1项。累计在国内外申请发明专利82项，其中PCT国际专利4项。累计在国内、外发表论文130篇，其中SCI收录102篇。科技成果鉴定7项。举办国际会议4次，国际学术大会特邀报告18次，国际重要学术组织任职4人次。有1人
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入选2007年度北京市科技新星计划，1人获江苏省十大女杰，并入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才，1人获全国百篇优秀博士论文。超额完成了前二年项目的指标和任务。
2.1 大规模培养细胞群体效应
2.1.1大规模培养过程中群体行为及细胞群体效应的基本规律
（1）用比较脂组学的方法分析了工业乙醇发酵过程中群体酵母细胞的磷脂组成和含量变化，应用高效液相色谱-质谱联用技术，对连续发酵过程中酵母细胞中的94种磷脂进行定性定量分析。并用多元统计分析比较了考察了连续发酵过程不同阶段的细胞胞内磷脂的变化情况。结果表明在连续发酵过程中不同阶段的磷脂代谢明显不同。通过聚类分析，磷脂的代谢变化情况能准确的描述连续发酵的三个主要过程，即：种子发酵、主发酵和末发酵期。进一步分析表明，在描述大规模连续工业过程中，主要变化的磷脂种类是phosphatidylinositol (PI)、 phosphatidylserine (PS) 和 phosphatidylethanolamine (PE)。并找到了8个潜在的生物标记物，即：PI (16:1/18:0, 16:1/18:1, 18:1/18:0, 18:1/18:1, 18:2/18:1, 18:2/18:2), PS (16:1/18:1) 和 PE (16:1/18:1)。
（2）用基于气相色谱联合质谱（GC-TOF-MS）的代谢组学方法对工业生产中酿酒酵母的细胞内代谢物进行分析，研究发现在连续发酵和分批发酵过程中的酿酒酵母细胞中，分别检测到143及128种胞内代谢物。主成分分析的结果进一步表明，两种发酵模式中的胞内代谢物均被分成三个阶段，即种子培养、主发酵及发酵后期，这与实际生产过程十分吻合。另外，一些与中心碳代谢相关的代谢物如甘油、磷酸、柠檬酸等对三个发酵阶段的区分贡献较大，为潜在的生物标记物。这些结果进一步揭示了工业生产过程中群体细胞内代谢物对工业乙醇发酵过程的重要性及必要性，从而为从代谢物组水平上揭示两种发酵过程中的酵母群体行为对环境压力的响应在代谢物水平是不同的。
（3）运用2-DE结合MADLI-TOF MS相结合的蛋白组学方法研究工业乙醇生产过程(连续发酵和分批发酵)中工业酵母群体细胞蛋白的表达水平的变化规律。建立了连续发酵的不同发酵罐和分批发酵的不同时期工业酵母细胞群体在乙醇生产过程中的蛋白质表达图谱，进一步鉴定和分析表明在连续发酵过程中酵母细胞47个差异明显的蛋白中，17个蛋白(酶)与细胞的磷酸戊糖途径、糖酵解途径、甘油合成途径密切相关；9个蛋白(酶)与细胞氧化胁迫和热胁迫响应密切相关。同时，分析与磷酸戊糖途径、糖酵解途径、甘油合成途径密切相关的蛋白(酶) 在分批发酵不同时期的变化规律。
（4）运用脂质组学研究群体细胞在剪切力作用下磷脂分子的变化。采用
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