生物系统发酵过程被广泛用于生产药物(如抗生素)、生物能源物质(如生物乙醇)，以及单克隆抗体和活体疫苗等。对生物系统进行模型化研究可以更好地了解细胞的代谢过程以及内部机理，从而提高人们希望得到的某种产物的产率进而对整个生物发酵过程进行预报和优化。然而，即使对于最简单的细胞生物，对其建模也是很困难的。这是因为细胞的代谢网络包含有成千上万个化学反应，这些反应涉及到数目庞大的细胞物质。不仅如此，这众多的化学反应都在生物系统的酶系作用下进行调控，每个化学反应由一个特定的酶催化，该特定的酶的浓度和活性是由细胞内部的自我调控机制进行控制。根据生物系统所处的环境条件不同，生物系统的酶系调控作用适时地改变酶的浓度及活性，从而调节生物系统内部代谢流量的分配，确保生物系统的稳定性和适应性。这种通过酶系作用对其内部代谢进行自我调控的机制是生物系统经过成千上万年的进化获得的。因此，想要对生物系统发酵过程进行全面地了解和分析进而为工业生产提供指导性的方针策略，考虑其内部化学反应的反应动力学以及其内部的酶系作用机制是建立一个完善的动力学模型必不可少的两大因素。目前虽然已经有很多模型化方法可以兼顾到对于生物系统代谢网络以及化学反应动力学方面的考虑，对于生物系统酶系作用调节机制的考虑却非常罕见。本文就是在这样的背景下，揭示了如何对带有酶系作用的生物系统进行建模，并且进一步地进行过程优化。为了为生物系统的发酵过程建立一个完善的动力学模型，在对于生物系统代谢网络的考虑方面，采用了代谢网络分析技术，将原本庞大的代谢网络分解为一些可以供分析的不同的代谢途径的组合。这些代谢途径连接的是生物系统的输入变量，即生物系统的营养底物，以及生物系统的输出变量，即生物系统的产物或者副产物。在输入变量与输出变量中间，包含着一些中间产物以及参与调节作用的酶。另一方面，在生物系统的酶系调节作用方面，由于生物系统经过长期进化，在其内部形成了一套以生长最大化为目标的最优化策略。基于这种最优化策略，可以得到关于酶系作用的调控变量的描述。在调控变量的作用下，生物系统的输入变量，输出变量及他们之间的相互作用都可以得到很好地描述。基于这种模型化方法，本文考察了三种不同的生物系统发酵过程，分别为它们建立了动力学模型，并对不同生物系统的动力学模型的预报能力以及过程优化进行了进一步的研究。文章的最后，对带有酶系作用的模型进行了展望，提出了将其拓展到更加复杂的生物系统的可能性。本文具体的研究内容以及得到的主要结论包括：1.以青霉素发酵过程为例，建立了产黄青霉菌在以葡萄糖为主要营养底物作用下的带有酶系作用的动力学模型。通过对产黄青霉菌的代谢网络进行简化，只考虑我们关心的一些营养底物以及反应产物，忽略对中心代谢作用贡献不是很重要的一些中间产物，并且考虑这些物质以及相关的化学反应在相应的酶系作用调节下的变化，建立青霉素发酵过程的带有酶系作用的动力学模型。并且通过不同的实验罐批的实验数据对所建立的模型进行验证。2.以动物细胞培养过程为例，建立了骨髓瘤细胞在两种半互补半可替代的底物下的间歇发酵和有补料发酵过程中的动力学模型，并且检验了模型的预报能力。骨髓瘤细胞培养涉及到两个营养底物，葡萄糖和谷氨酰胺。发酵过程中会产生副产物氨，丙氨酸和乳酸。通过对三组不同操作条件下的发酵过程建立带有酶系作用调控的动力学模型并且进行参数辨识，得到三组数值上比较接近的动力学参数。将这些动力学参数分别应用于三种不同操作条件的发酵过程，将得到的底物浓度(葡萄糖和谷氨酰胺)、细胞浓度，以及乳酸浓度的仿真结果与发酵原始数据对比，发现所建立模型可以对相应的实验数据进行很好地描述，验证了骨髓瘤动力学模型的有效性。为了进一步验证模型在有扰动环境下的适应能力，将得到的三组动力学参数的一组应用于其他两组发酵过程的动力学模型进行预报，模型的预报结果对相应的实验数据同样描述地很好。最后，由模型仿真计算得到动物细胞模型的内部控制变量随时间的变化曲线，可以定性的分析出动物细胞发酵过程中两种底物，葡萄糖和谷氨酰胺之间的半互补半可替代的作用关系。与前人的文献提到的结果一致。3.以三种不同的酵母菌为研究对象，建立其在四种营养底物下的发酵过程的带有酶系作用的动力学模型。对三种酵母菌采用相同的代谢网络，利用EMA技术对代谢网络进行分解，得到三种酵母菌在每种营养底物下发酵各自的EM组合。由于得到的EM组合个数过于庞大，采用代谢产率分析（MYA）分析方法对EM进行简化，得到三种不同酵母细菌各自独有的简化的EM，同时对得到的简化后的EM建立用于描述其酶系作用的调控变量，构建酵母菌的动力学模型。根据文献中的发酵数据，对三种酵母菌分别其进行参数辨识，得到三种不同酵母细菌各自的动力学参数。用文献中的数据对模型的有效性进行验证。结果表明，三种不同酵母菌的动力学模型仿真结果对三种酵母菌的实验数据(包括四种营养底物，生物乙醇以及细胞浓度)都可以进行很好地描述。4.将上述已经建立的三种酵母菌的单菌模型拓展到混菌发酵过程中。以三种酵母菌混合发酵的不同组合为研究对象，分别建立三组两种酵母菌混合发酵和三种酵母菌混合发酵的带有酶系作用的动力学模型。将上述过程中在单菌发酵模型的参数辨识结果应用到混菌发酵模型中，进行仿真和预报。结果表明，单菌发酵模型得到的参数对混菌发酵过程的预报结果与实验数据吻合很好。5.将上述的单菌发酵过程和混菌发酵过程中的酒精产率进行比较，结果表明，在初始发酵阶段，一种单菌发酵的酒精产率最好，在中间的一段时间，混菌发酵组合的酒精产率最好，在最后一段时间，另一种单菌发酵的乙醇产率最好。基于此，提出二步发酵法，即在糖原转化率较低的时候采用在该阶段具有较高生物酒精得率的酵母菌进行单菌发酵，随着糖原转化率的增高，在某个最优时间切换点，采用在该阶段具有较高生物酒精得率的酵母菌进行单菌发酵，该最优时间切换点由计算得到。通过二步发酵法的引用，生物酒精的产率得到了比较大的提高。