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1 目标——实用模型 1

1.1 模型选择的标准 3

1.2 生物化学过程模型 7

1.2.1 热力学 8

1.2.2 动力学 11

1.2.3 Michaelis-Menten速度定律 13

1.2.4 化学计量系统 19

1.2.5 简化的表达 21

1.2.6 波德分析 22

1.2.7 幂定律近似法 23

1.2.8 S系统 27

1.2.9 综合质量作用系统 28

1.2.10 代谢控制分析 29

1.2.11 丰富的结构 32

1.3 总结 33

1.4 参考文献 34

2 生化系统理论方法 41

2.1 模型设计 43

2.2 生化系统理论中的方程设计 46

2.3 参数估计 49

2.3.1 基于流量的估计 49

2.3.2 根据动态数据估算 53

2.4 动态分析 55

2.4.1 系统特征的变化 56

2.4.2 蒙特卡罗模拟 57

2.5 稳态分析 59

2.6 稳定性分析 63

2.7 评价和说明 68

2.8 参考文献 69

3 黑曲霉生产柠檬酸模型 73

3.1 引言 75

3.2 柠檬酸基本的化学及生物化学性质 76

3.3 基础数学模型 79

3.3.1 质量平衡和S系统方程 79

3.3.2 参数估计和S系统表示法 81

3.3.3 基础数学模型 89

3.3.4 稳态 89

3.3.5 局部稳定性 90

3.3.6 鲁棒性 90

3.3.7 动态行为 99

3.3.8 最初模型的局限性和缺点 99

3.4 修订模型 101

3.4.1 新的过程和生化数据 101

3.4.2 质量平衡和S系统方程 103

3.4.3 局部稳定性和稳态的描述 109

3.4.4 鲁棒性 109

3.5 修订模型的性能评价 119

3.6 附录——修订模型中约束条件的数学表达式 120

3.7 参考文献 122

4 优化方法 127

4.1 解析方法 130

4.1.1 单变量函数的极值点 130

4.1.2 单变量非线性函数极值点的解析计算 132

4.1.3 多变量非线性函数极值点的解析计算 135

4.1.4 约束非线性函数的优化 139

4.2 搜索算法 145

4.2.1 单变量函数 145

4.2.2 多变量非线性函数的搜索 148

4.2.3 遗传算法 151

4.3 参考文献 152

5 生化系统的优化 153

5.1 引言 155

5.2 非线性优化的必要性 159

5.3 搜索多变量线性函数的极值 161

5.4 化学计量学网络的优化 167

5.5 S系统的优化 169

5.6 GMA系统的优化 171

5.7 多目标优化 173

5.7.1 向量优化 177

5.7.2 目标规划 178

5.8 结构优化 179

5.9 参考文献 181

6 黑曲霉生产柠檬酸的优化 187

6.1 引言 189

6.2 用黑曲霉进行柠檬酸生产的最优线性规划 190

6.2.1 目标函数 191

6.2.2 约束条件 191

6.3 最优解 197

6.4 系统搜索最优解的最佳步骤序列 200

6.5 操作过程中的误差影响分析 205

6.5.1 输出分布的形态 206

6.5.2 柠檬酸的生产 207

6.5.3 约束违例 208

6.6 结论 210

6.7 参考文献 212

7 用酿酒酵母生产乙醇的最大化 215

7.1 概述 217

7.2 研究背景 218

7.3 Galazzo和Bailey模型 220

7.3.1 物料平衡方程 220

7.3.2 动力学模型 221

7.4 S系统模型 223

7.5 模型的质量评估 224

7.5.1 稳态的局部稳定性 225

7.5.2 模型的刚性 225

7.5.3 动力学行为 227

7.6 优化——间接优化方法 227

7.6.1 直接的S系统优化 228

7.6.2 目标函数 229

7.6.3 约束条件 230

7.7 结果 232

7.7.1 乙醇生产的最大化 232

7.7.2 甘油及糖生产的最大化 235

7.8 间接优化方法的品质评价 239

7.8.1 直接优化方法的简洁陈述 240

7.8.2 乙醇生产的直接优化方法实施 242

7.8.3 乙醇生产的非直接优化和直接优化解 242

7.9 多目标优化 245

7.9.1 间接多目标优化方法 246

7.9.2 单目标优化 247

7.9.3 多目标优化 248

7.9.4 与糖酵解酶同时过量表达的观测值的比较 250

7.10 讨论 253

7.11 参考文献 254

8 结论 259

8.1 大肠杆菌高密度培养生产L-肉碱 262

8.2 大肠杆菌中色氨酸的生物合成 264

8.3 途径分析的趋势及基因技术和基因组学的作用 266

8.3.1 代谢流分析 268

8.3.2 基因组信息和生化系统理论 269

8.4 展望 273

8.5 参考文献 274

人名索引 277

主题索引 285