大规模发酵过程中细胞行为和生产特性与其所处的环境因素关系密切，细胞的环境响应行为是涉及转录、蛋白、代谢及相互作用的一个基于生化反应和物质传递的复杂、非线性的多层次网络体系，传统研究方法和手段难以全面揭示其规律性。本文以乙醇和青霉素两个工业生物过程为研究体系，从代谢组学和磷脂组学的角度系统地比较分析了不同工业模式、不同规模工业过程中微生物细胞的代谢差异。试图在分子水平上更好的理解不同模式、不同规模工业生物过程中细胞对复杂工业环境的响应行为，为工业生物过程优化与放大提供科学依据。首先选取大规模乙醇工业分批过程和连续过程作为研究体系，分析了酿酒酵母在不同工业模式中细胞响应行为的差异性。分批过程发酵前期的细胞活力和乙醇的产量明显低于连续过程。代谢组学分析表明，渗透压和氧胁迫是引起酵母细胞在两个过程中响应行为差异的两个主要环境因素。连续过程发酵初期甘油的大量积累表明高糖浓度形成渗透压，在高渗刺激下甘油积累以调节细胞渗透压。分批过程发酵后期乳酸的积累显示在这个过程细胞受到的氧胁迫逐渐增加。环境胁迫响应行为的不同也造成了细胞在两个过程中氨基酸代谢和三羧酸循环代谢的差异。进一步分析了两种工业过程细胞磷脂组成和含量变化情况。细胞磷脂链长的变化可能是酵母细胞对复杂工业环境的一个重要响应。PS和PG的LCUFA含量在分批过程中明显高于连续过程；对于连续过程胞内LCUFA磷脂含量在发酵初期明显高于其他两个阶段，并且随发酵进行含量呈显著下降的趋势。其次以青霉素中试过程和大规模工业过程为研究对象，系统比较分析了产黄青霉胞内小分子代谢、磷脂组代谢以及次生代谢在工业生物放大过程中的表达差异。探索了产黄青霉在放大过程中的适应性响应过程。工业放大过程中青霉素的生产与胞内氨基酸的代谢密切相关，在发酵中期氨基酸的显著积累促进了青霉素的合成。不同规模青霉素发酵过程中产黄青霉糖酵解和TCA循环路径的代谢特征差异显著，这种差异和青霉素的产量具有一定的相关性，工业放大过程中次级代谢的生物合成受到初级代谢的影响显著。在中试过程发酵前期产黄青霉的初级代谢更为活跃，导致发酵过程中青霉素合成速率的降低。通过比较不同规模发酵过程中次级代谢产物表达的差异，表明次生代谢产物的相互转化和对合成酶的影响导致青霉素工业放大过程中代谢的差异。进一步磷脂组学研究显示多不饱和磷脂分子在中试过程表达明显高于工业过程。磷脂分子的不饱和度变化直接反应出在发酵过程中菌丝体形态的差异性；相比中试过程，工业过程受到的较大环境胁迫造成菌丝分裂的加剧，放大过程适当的环境胁迫更有利于青霉素产量的提高。