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バイオプロセスシステム―効率よく利用するための基礎と応用―

(2002年『バイオプロセスシステムエンジニアリング』普及版)

商品コード: B0875

  • 監修: 清水浩
  • 発行日: 2009年5月
  • 価格(税込): 4,752 円
  • 体裁: A5判,309ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0083-2

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刊行にあたって

 21世紀は生物学の時代であるといわれるまでもなく,生物学の新しい知見が日々,報告されています。昨年にネイチャー誌が日米欧の国際共同研究グループによるヒトゲノム解読に関する論文の特集号を出したのは記憶に新しいところです。ひるがえって,人類は遺伝子の本体がDNAであることが発見されるずっと以前から生物を利用して多くのものを作ってまいりました。動植物を利用した農林水産業においてのみならず,醸造,食品,化学,医薬生産などの工学分野において生物を利用したバイオプロダクトは,われわれの生活の中で,遠い昔から現在に至るまで必要不可欠なものとなっています。また,地球環境や生態系の保護においてもバイオプロセスシステムを理解し利用することは今後,必須な技術となってくるであろうと考えられます。
 最近の生物学における進歩により,生物の機能や働きを分子レベルで把握することができるようになり,ミクロな視点において生物を理解するための情報の質と量が爆発的に向上し,これによって生物学が加速的に進歩していると考えられます。しかし,バイオプロセスシステムをいかに効率よく利用できるかは,解析されたシステムをいかにモデル化し制御できるかという工学的シンセシス技術の進歩にかかっていると思われます。また,人間の知識や経験といった情報を基礎にした手法もバイオプロセスシステムのような複雑なシステムを理解し,利用する手法として非常に有効なものであることは多くの研究成果により証明されているところです。
 本書はバイオプロセスシステムを様々な場面で利用する際に,与えられた目的を達成するための意思決定の方法論を,実用上の重要性という観点から基礎となるものから最先端研究例に至るまで,まとめて解説するものとして企画いたしました。幸い,生物工学,生物化学工学分野の多くの先生方にご賛同を頂きまして,幅広い対象のバイオプロセスにおける,計測,モデル化,最適化,制御といったシステムエンジニアリングの基礎的事項,システムバイオロジー,バイオインフォマティクス,ナノテクノロジーとの境界領域を模索した最先端テクノロジーの内容も含んで本書が完成致しました。ご執筆頂いた先生方に改めて深謝致しますとともに本書が多くのバイオプロセスの現場で広く利用されるものとなることを祈念致します。
(「はじめに」より)

2002年11月  大阪大学 大学院情報科学研究科 バイオ情報工学専攻 清水浩

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2002年に『バイオプロセスシステムエンジニアリング』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2009年5月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

吉田敏臣   大阪大学 大学院情報科学研究科 バイオ情報工学専攻 教授;大阪大学 生物工学国際交流センター 教授
         (現)大阪府環境農林水産総合研究所 所長
滝口 昇   広島大学 大学院先端物質科学研究科 助手
岡本正宏   九州大学 大学院農学研究院 生物機能科学部門 教授
山本進二郎  (現)崇城大学 生物生命学部 准教授
橋本 篤   (現)三重大学 大学院生物資源学研究科 教授
亀岡孝治   (現)三重大学 大学院生物資源学研究科 教授
片倉啓雄   (現)大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 准教授
紀ノ岡正博  大阪大学 大学院基礎工学研究科 化学系専攻 講師
田谷正仁   (現)大阪大学 大学院基礎工学研究科 物質創成専攻 教授
塩谷捨明   大阪大学 大学院工学研究科 応用生物工学専攻 教授
         (現)崇城大学 生物生命学部 教授
山根恒夫   名古屋大学 大学院生命農学研究科 教授
         (現)中部大学 応用生物学部 教授
清水 浩   (現)大阪大学 大学院情報科学研究科 バイオ情報工学専攻 教授
清水和幸   (現)九州工業大学 情報工学研究院 生命情報工学科 教授
大政健史   (現)大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 准教授
堀内淳一   北見工業大学 工学部 化学システム工学科 助教授
本多裕之   (現)名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻 教授
花井泰三   (現)九州大学 大学院農学研究院 准教授
小林 猛   名古屋大学 大学院工学研究科 生物機能工学専攻 教授
         (現)中部大学 応用生物学部 教授
中嶋幹男   大阪大学 生物工学国際交流センター 助手
朴 龍洙   (現)静岡大学 創造科学技術大学院 教授
岡部満康   静岡大学 農学部 応用生物化学科 生物資源化学専攻 教授
大竹久夫   (現)大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授
倉田博之   九州工業大学 情報工学部 生物化学システム工学科 助教授
関  実   東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 助教授
         (現)千葉大学 大学院工学研究科 共生応用化学専攻 教授
遠藤 勲   宇都宮大学 農学部 生物生産科学科 応用生物化学専攻 教授

 執筆者の所属表記は、注記以外は2002年当時のものを使用しております。

目次

第1章 バイオプロセスシステム工学の現状と展開
1. はじめに
1.1 発酵プロセスの最適化
1.2 モニタリングと診断
1.3 プロセス制御
2. 知識依拠型方法のはじまり
2.1 知識依拠型制御システムの構造
2.2 知識依拠型制御システムの機能
2.3 知識依拠型制御システムの応用
3. ファジイ推論
3.1 プロセスのシミュレーション
3.2 生理的状況すなわち培養フェイズの同定
3.3 状態変数のオンラインモニタリング
3.4 プロセスの診断と制御
4. エキスパートシステムの構築と応用
5. ニューラルネットワーク
6. 遺伝アルゴリズム
6.1 プロセスの最適化
6.2 品質管理
6.3 ファジイルールの探索や最適化
7. 結論

第2章 バイオプロセス操作と培養装置
1. 培養装置と操作
2. 微生物培養の操作形式
2.1 好気培養と嫌気培養
2.2 液体培養
2.3 固体培養
3. 培養装置
3.1 通気攪拌型培養槽
3.2 通気塔・エアリフト型培養槽
3.3 充填層型培養槽
3.4 流動層型培養槽
4. 酸素移動現象と微生物反応の関わり
4.1 微生物の酸素摂取
4.2 酸素需給と生産
4.3 培養液中での酸素移動
4.4 酸素移動の容量係数
5. 通気操作と容量係数
5.1 気泡径と上昇速度
5.2 通気塔の容量係数と操作条件の関係
5.3 攪拌槽の標準仕様
5.4 攪拌による液の流動
5.5 攪拌所要動力
5.6 通気攪拌槽の容量係数と操作条件の関係
5.7 スケールアップ

第3章 計測技術の進歩
1. はじめに
2. バイオプロセスのプロセス変数
3. 細胞量
3.1 細胞濃度
3.2 細胞形態
4. 物質濃度
4.1 グルコース
4.2 アンモニウムイオン
4.3 溶存酸素
4.4 pH
4.5 ガス状あるいは揮発性成分
4.6 その他の物質
5. おわりに

第4章 バイオプロセスのモデル化と最適化
1. S-systemによる遺伝子ネットワークモデリング
1.1 はじめに
1.2 遺伝子間相互作用の推定
1.2.1 S-systemモデル
1.2.2 小規模の遺伝子ネットワークの推定
1.2.3 大規模遺伝子ネットワークの推定に向けて

2. 動物細胞培養プロセスモデリング
2.1 はじめに
2.2 動物細胞の代謝反応モデル
2.3 細胞増殖モデル
2.4 回分培養
2.5 他の培養プロセスのモデル
2.6 今後の展望

3. 植物細胞における赤外センサモニタリングとモデル化
3.1 はじめに
3.2 赤外分光法
3.2.1 赤外線の分類
3.2.2 赤外線の吸収
3.2.3 赤外線分光分析
3.3 単糖・二糖類の赤外分光スペクトル
3.4 懸濁細胞の糖代謝計測
3.4.1 ヨーグルト発酵過程のモニタリング
3.4.2 植物細胞の糖代謝計測
3.4.3 懸濁植物細胞の糖代謝解析
3.5 イオン解離性代謝関連物質の赤外分光解析
3.5.1 イオン解離性代謝関連物質の赤外分光特性
3.5.2 イオン解離性代謝関連物質の定量
3.6 おわりに

4. 抗体の単離及びその応用におけるモデリング
4.1 はじめに
4.2 抗原抗体反応のkinetics
4.3 実践における速度定数の意味
4.4 目的に応じた動特性を持つ抗体のスクリーニング
4.5 おわりに

5. ティッシュエンジニアリングにおけるモデリングとその利用―細胞特性評価のための増殖モデル―
5.1 はじめに
5.2 ティッシュエンジニアリングにおけるモデリングの役割
5.2.1 ティッシュエンジニアリングとの接点
5.2.2 集中定数系・決定論モデル
5.2.3 分布定数系・確率論モデル
5.3 モデルの実例とその利用
5.3.1 モデルの構築
5.3.2 接着および増殖評価
5.3.3 最適化培養の検討と細胞株間の比較
5.4 今後の展望

6. 比速度に基づくバイオプロセスの最適化
6.1 はじめに
6.2 数式モデルに基づく最適化とその限界
6.3 比速度に基づく最適化
6.3.1 濃度制御から速度制御へ
6.3.2 最大生産量問題
6.3.3 最大生産一般問題の解に関する定理
6.4 具体例
6.4.1 流加培養によるグルタチオン最大生産
6.4.2 遺伝子組み換え酵母によるイネα-アミラーゼの生産
6.5 おわりに

7. 遺伝的アルゴリズムを用いたプロセスの最適化
7.1 はじめに
7.2 遺伝的アルゴリズム
7.3 バイオプロセスの最適化問題
7.4 GAによるバイオプロセスの最適化と運転操作
7.5 おわりに

第5章 培養プロセス制御
1. 流加培養系における基質流加法
1.1 流加培養とは
1.2 流加培養が有利な場合
1.3 流加の基礎式
1.4 各種流加方式
1.4.1 フィードバック制御のない方式(フィードフォワード方式)
1.4.2 フィードバック制御のある方式
1.5 流加培養のスケールアップ(混合の問題)
1.6 工業的実施例

2. カルマンフィルタによる培養状態推定
2.1 はじめに
2.2 リジン発酵における培養操作の概観
2.3 拡張カルマンフィルタを用いた生物反応速度の推定法
2.4 フラックス分布に基づく培養操作の指示

3. フィードフォワード・フィードバック制御
3.1 はじめに
3.2 制御目標
3.3 制御対象とその特徴
3.4 制御量と操作量
3.5 ソフトセンサー
3.6 フィードフォワード・フィードバック制御
3.7 適応制御

4. バイオプロセスモデル予測制御
4.1 はじめに
4.2 システムの構成と問題設定
4.3 制御性能の評価

5. 複合微生物によるバイオプロセスの制御
5.1 はじめに
5.2 複合微生物カスケード制御によるpH制御
5.3 制御性能の評価
5.4 混合培養による成果

第6章 代謝工学
1. 代謝フラックス解析
1.1 はじめに
1.2 代謝反応モデルの構築とその観測性、利用可能性
1.2.1 簡単な例による原理の説明
1.2.2 生物プロセスにおける代謝フラックス解析の実例

2. 代謝制御解析と微生物育種への応用
2.1 メタボリックネットワークにおける代謝の制御
2.2 メタボリックコントロールアナリシス(MCA)
2.3 分岐がある場合のFCC
2.4 FCCの決定法

3. 同位体標識による代謝解析
3.1 はじめに
3.2 簡単な例による代謝流束分布計算の原理
3.3 一般的な場合の代謝流束分布計算法
3.4 シアノバクテリアの代謝流束分布解析
3.5 おわりに

4. 動物細胞プロセスにおける代謝工学
4.1 はじめに
4.2 細胞培養における代謝および各種環境因子の影響
4.3 動物細胞プロセスにおける代謝工学的アプローチ
4.4 おわりに

5. バイオインフォーマティクスとの融合
5.1 はじめに
5.2 データベース
5.3 ネットワーク
5.4 細胞シミュレーション
5.5 大腸菌細胞のモデリング
5.6 おわりに

第7章 知識工学的手法のバイオプロセスへの応用
1. ファジィ制御
1.1 はじめに
1.2 バイオプロセスにおけるファジィ制御
1.3 ファジィ制御の実用化例
1.4 ファジィ制御適用事例の比較検討
1.5 おわりに

2. 嗜好食品の品質評価への知識工学的手法の応用
2.1 はじめに
2.2 使用するデータ
2.3 モデリング
2.4 コーヒーのモデリング
2.5 ビールとお酒の品質モデリング
2.6 おわりに

3. 医用工学への知識情報処理の応用
3.1 はじめに
3.2 ファジィニューラルネットワークを用いた脳波から痴呆症重症度診断
3.3 人工ニューラルネットワークを用いた一塩基多型とアレルギー性疾患発症に関する解析
3.4 ファジィニューラルネットワークを用いたDNAマイクロアレイデータからのリンパ腫患者の予後診断
3.5 おわりに

4. 知識工学的手法による活性汚泥プロセスのシミュレーション
4.1 はじめに
4.2 活性汚泥プロセス
4.2.1 解析に用いたデータ
4.3 推定緒果
4.3.1 モデリングによって選ばれたプロセス変数および推定結果
4.3.2 シミュレーション結果
4.4 R-FNNを用いた逐次推定シミュレーターの構築
4.5 まとめ

5. バイオプロセスへのエキスパートシステムの応用
5.1 はじめに
5.2 エキスパートシステムの構造
5.3 知識表現
5.4 バイオプロセスへのエキスパートシステムの応用例
5.5 おわりに

6. 画像処理を用いた微生物形態の把握
6.1 はじめに
6.2 糸状菌の画像処理システム
6.3 菌糸形態の分類および培養中の菌糸形態の変化
6.4 菌糸形態の生理学的変化
6.4.1 放線菌ペレットの内部構造
6.4.2 かびペレットの内部構造
6.4.3 ペレット内部の平面空洞率の解析
6.5 ミクロレベルにおける菌糸形態形成の解析
6.6 おわりに

7. 多変量解析、ニューラルネットとバイオプロセスデータマイニング
7.1 はじめに
7.2 自己想起型ニューラルネットワークとプロセスの異常診断
7.3 プロセスデータのノイズフィルタリング
7.4 異常診断とレスキューアクションの結果

第8章 システムバイオロジーやマイクロリアクタ化技術への発展
1. 計算科学を利用した生物プロセスの解析―定量的シミュレーションと定性的シミュレーション―
1.1 はじめに
1.2 定性的なシミュレーション
1.2.1 大腸菌の定性的モデル
1.2.2 リン代謝に係わる機能ルール
1.2.3 定性的シミュレーション
1.3 定量的なシミュレーション
1.3.1 アナログHDL
1.3.2 定量的シミュレーション
1.4 おわりに

2. コンピュータエイデッドなバイオシステムの構築
2.1 緒言
2.2 生命分子ネットワークの表記法
2.2.1 制御反応式の定義
2.2.2 図的ネットワーク表記法
2.3 BIOCADシステム
2.3.1 ネットワーク構築システム
2.3.2 データーベース
2.3.3 シミュレータ
2.4 結論

3. マイクロリアクタのバイオプロセスへの応用
3.1 マイクロ流体デバイスとマイクロリアクタ
3.2 マイクロ流体デバイス・マイクロリアクタのバイオプロセス分野への応用
3.3 マイクロリアクタのための微量液体操作と液滴反応
3.4 バイオプロセス分野におけるマイクロリアクタの今後
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