生物燃料的計(jì)算模擬

前言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油等關(guān)鍵礦產(chǎn)資源將在本世紀(jì)中后期逐步接近枯竭。同時，化石燃料的燃燒導(dǎo)致二氧化碳排放量不斷增加，造成全球氣候變暖。能源、資源、環(huán)境問題已經(jīng)成為制約新世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，引起了人們的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的工業(yè)發(fā)展模式已經(jīng)難以為繼，開發(fā)新的可持續(xù)的綠色替代資源已成為世界各國的首要緊迫任務(wù)。我國正處于工業(yè)化中后期與城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的階段，能源與環(huán)境問題更為突出，特別是我國石油進(jìn)口依存度已超過了50%，關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)安全；而農(nóng)耕方式向著機(jī)耕方式的快速轉(zhuǎn)變，使得農(nóng)作物秸稈游離于農(nóng)業(yè)循環(huán)之外，常常就地焚燒，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，解決能源緊缺與資源浪費(fèi)之間的矛盾，充分高效利用生物質(zhì)資源進(jìn)行生物煉制，對于我國這樣一個人口眾多、能源和資源緊張的國家來說，具有特別重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。植物細(xì)胞壁在長期的自然進(jìn)化中形成了木質(zhì)纖維素這樣復(fù)雜的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，成為其抗微生物和酶分子攻擊的天然屏障，使得生物質(zhì)難以被降解，現(xiàn)在稱之為“生物質(zhì)抗降解屏障”（參閱《生物質(zhì)抗降解屏障——解構(gòu)植物細(xì)胞壁產(chǎn)生物能》，化學(xué)工業(yè)出版社，2010）。而作為碳循環(huán)主要降解者的微生物，在長期進(jìn)化過程中形成了高效“纖維素降解的超分子機(jī)器——纖維小體”（同名圖書由化學(xué)工業(yè)出版社出版，2011）或者復(fù)雜的木質(zhì)纖維素酶降解酶系統(tǒng)（參閱《木質(zhì)纖維素降解酶與生物煉制》，化學(xué)工業(yè)出版社，2011），可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的化工原料或“生物燃料”（同名圖書由化學(xué)工業(yè)出版社出版，2009）。然而，現(xiàn)在木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化工藝多半還不經(jīng)濟(jì)，主要原因是相關(guān)研究還不深入，生物轉(zhuǎn)化的相關(guān)工藝還是基于經(jīng)驗(yàn)，未將分析推進(jìn)至生物大分子相互作用的納米水平，未全面引入計(jì)算模擬的方法與策略。因此，新一代生物煉制技術(shù)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，須在分子/原子水平上認(rèn)識生物大分子的相互作用及分子動態(tài)行為，研究復(fù)雜生物質(zhì)結(jié)構(gòu)與復(fù)雜酶系或復(fù)雜超分子機(jī)器之間的關(guān)系，基于計(jì)算模擬的精確預(yù)測與分析，才能實(shí)現(xiàn)生物燃料和化學(xué)品工藝的優(yōu)化與提升，才能推動生物煉制工業(yè)的快速發(fā)展。本書由美國再生能源國家實(shí)驗(yàn)室M.R.Nimlos與M.F.Crowley博士主編，針對木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化與熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的一系列問題進(jìn)行系統(tǒng)地計(jì)算模擬分析，在原子分子水平上認(rèn)識生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的分子動態(tài)行為及微觀動態(tài)過程。主要研究包括：木質(zhì)纖維素超分子結(jié)構(gòu)（詳細(xì)介紹纖維素晶體的超分子結(jié)構(gòu)模擬、木聚糖水解過程模擬、木質(zhì)素與纖維素形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等），纖維素酶超分子結(jié)構(gòu)（纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域、催化結(jié)構(gòu)域、連接肽、對接模塊與粘連模塊及纖維小體的計(jì)算模擬），以及熱化學(xué)等過程模擬及其計(jì)算模擬相關(guān)方法的研究進(jìn)展。書中研究內(nèi)容翔實(shí)，可操作性強(qiáng)。由于相關(guān)研究領(lǐng)域進(jìn)展很快，因此本書增加“后記”一章，列出2011年至今年相關(guān)研究領(lǐng)域最新方法與最新進(jìn)展。山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長期從事纖維素降解微生物學(xué)、纖維素酶學(xué)及降解機(jī)理、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等相關(guān)研究，在纖維素降解、轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)和技術(shù)研究領(lǐng)域取得了備受國內(nèi)外同行關(guān)注的研究成果，最近出版了一系列相關(guān)著作/譯著，本書是系列圖書中的第五本，側(cè)重于計(jì)算模擬等新方法、新技術(shù)、新思路。相關(guān)方法與技術(shù)的快速發(fā)展與推廣將為新酶（系）的催化機(jī)理研究、理性改造策略選擇、預(yù)處理底物結(jié)構(gòu)及變化，以及糖苷水解酶系重構(gòu)等開拓全新的視角，為新機(jī)理的提出、新工藝的形成奠定理論基礎(chǔ)，將會促進(jìn)微生物對纖維素生物質(zhì)利用和轉(zhuǎn)化過程的明顯提升。全書由王祿山、耿存亮、段曉云等翻譯，由山東大學(xué)晶體材料研究所趙顯教授、新加坡南洋理工大學(xué)生命學(xué)院的慕宇光副教授、山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院張冬菊教授校改。由于該專著研究領(lǐng)域涵蓋計(jì)算化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、生物質(zhì)熱化學(xué)、計(jì)算流體動力學(xué)等專業(yè)知識，翻譯難度較大。受限于知識水平，翻譯中難免會出現(xiàn)一些紕漏、不足或者不準(zhǔn)確的地方，非常期望得到專家與讀者的批評指正。在翻譯過程中得到了山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高培基教授、曲音波教授、陳冠軍教授的關(guān)心和幫助。本書的出版得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2011CB707401）、國家自然科學(xué)基金（31070063，31170071）、山東省國際科技合作項(xiàng)目計(jì)劃（魯科合字［2011］176號第6項(xiàng)）的資助，在此一并表示衷心的感謝。王祿山2012年8月

內(nèi)容概要

　　本書由美國再生能源國家實(shí)驗(yàn)室M．R．Nimlos與M．F。Crowley博士組織編寫，針對木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化與熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的一系列問題進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算模擬分析，在原子分子水平上認(rèn)識生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的分子動態(tài)行為及微觀動態(tài)過程。主要內(nèi)容包括：木質(zhì)纖維素超分子結(jié)構(gòu)(詳細(xì)介紹纖維素晶體的超分子結(jié)構(gòu)模擬、木聚糖水解過程模擬、木質(zhì)素與纖維素形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等)，纖維素酶超分子結(jié)構(gòu)(纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域、催化結(jié)構(gòu)域、連接肽、對接模塊與粘連模塊及纖維小體的計(jì)算模擬)，以及熱化學(xué)等過程模擬及其計(jì)算模擬相關(guān)方法的研究進(jìn)展。由于相關(guān)研究領(lǐng)域進(jìn)展很快，因此本書增加“后記”部分，列出2011年以后相關(guān)研究領(lǐng)域最新方法與最新進(jìn)展。全書內(nèi)容翔實(shí)，可操作性強(qiáng)，可供從事生物質(zhì)開發(fā)利用與生物能源的研究人員參考閱讀。

書籍目錄

第1章 木糖水解的從頭算分子動力學(xué)研究
1．1 引言
1．2 方法
1．3 結(jié)果
1．3．1 β-1,4-木二糖的醚鍵在氣相中的質(zhì)子化以及與β-1,2-木二糖的對比
1．3．2 水相中β-1,4-木二糖的酸催化水解
1．4 結(jié)論
1．5 致謝
1．6 參考文獻(xiàn)
第2章 纖維素結(jié)構(gòu)的模擬
2．1 引言
2．1．1 纖維素的應(yīng)用及其相關(guān)背景
2．1．2 天然纖維素晶體結(jié)構(gòu)
2．1．3 人造或不平常的纖維素晶體
2．2 纖維二糖
2．2．1 構(gòu)象能量圖
2．2．2 纖維二糖晶體
2．3 晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)
2．3．1 利用CSFF進(jìn)行的1 模擬
2．3．2 斜狀晶體及DP40晶體10 的模擬
2．4 纖維素纖絲的扭轉(zhuǎn)及相關(guān)氫鍵
2．5 結(jié)論
2．6 方法
2．7 致謝
2．8 參考文獻(xiàn)
第3章 木質(zhì)纖維素與纖維小體蛋白復(fù)合物的計(jì)算模擬
3．1 引言
3．2 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)趨向真實(shí)的模擬
3．2．1 木質(zhì)素的分子力學(xué)力場
3．2．2 木質(zhì)纖維素模型的構(gòu)建
3．3 模建纖維小體：粘連模塊?對接模塊的相互作用
3．3．1 基于晶體學(xué)結(jié)構(gòu)分析Ⅰ型粘連模塊?對接模塊的識別
3．3．2 粘連模塊?對接模塊的解離自由能面
3．4 總結(jié)與展望
3．5 致謝
3．6 參考文獻(xiàn)
第4章 纖維小體的多尺度建模
4．1 引言
4．2 纖維小體的定義與架構(gòu)
4．3 部分纖維小體模塊的功能
4．4 計(jì)算方法
4．4．1 纖維小體組裝的粗粒模型
4．4．2 Cel9A的正則模式分析
4．4．3 分子動力學(xué)模擬
4．5 結(jié)論
4．6 致謝
4．7 參考文獻(xiàn)
第5章 植物細(xì)胞壁多糖介觀尺度模建：研究CBM在纖維素表面的運(yùn)動
5．1 引言
5．2 方法
5．2．1 碳水化合物的粗粒模型
5．2．2 纖維素的粗粒模型
5．2．3 CBM的粗粒模型
5．3 應(yīng)用實(shí)例
5．3．1 CBM1在纖維素表面的運(yùn)動
5．3．2 CBHⅠ和CBHⅡ的CBM的比較
5．3．3 CBM1的粗粒模型
5．4 結(jié)論
5．5 致謝
5．6 參考文獻(xiàn)
第6章 纖維素酶分子的連接肽可儲能嗎
6．1 引言
6．1．1 纖維素酶系統(tǒng)
6．2 自由能計(jì)算
6．2．1 Ciccotti方法
6．2．2 傘狀取樣法
6．3 具體模擬過程
6．4 結(jié)果與討論
6．5 結(jié)論
6．6 致謝
6．7 參考文獻(xiàn)
第7章 纖維素酶活性位點(diǎn)及其與底物相互作用的QM/MM分析
7．1 引言
7．2 反應(yīng)機(jī)理
7．3 纖維素酶活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征
7．4 糖環(huán)的扭曲形變
7．5 GH酶類從頭算與分子動力學(xué)早期研究
7．6 當(dāng)前模型的建立及模擬方法
7．7 Cel12A與Cel5A的QM/MM模擬
7．7．1 H．grisea的Cel12A催化的糖基化過程
7．7．2 B．a(chǎn)garadhaere Cel5A催化的去糖基化過程
7．8 結(jié)論
7．9致謝
7．1 0參考文獻(xiàn)
第8章 分子模擬方法——常規(guī)實(shí)踐與當(dāng)前挑戰(zhàn)
8．1 基本方法
8．1．1 動態(tài)與構(gòu)象取樣
8．1．2 相互作用勢能函數(shù)
8．1．3 分子動力學(xué)模擬
8．1．4 蒙特卡洛取樣
8．2 精確性要求
8．2．1 力場的精確性
8．2．2 極化力場
8．2．3 QM/MM
8．3 速度要求
8．3．1 時間尺度
8．3．2 增強(qiáng)型取樣技術(shù)
8．3．3 多尺度模擬
8．4 總結(jié)
8．5 參考文獻(xiàn)
第9章 糖分子熱化學(xué)的量子力學(xué)模擬
9．1 引言
9．2 量子力學(xué)方法
9．2．1 組合方法
9．2．2 平衡方程/等鍵反應(yīng)
9．3 擴(kuò)展到糖分子
9．4 初步結(jié)果
9．5 結(jié)論
9．6 致謝
9．7 參考文獻(xiàn)
第10章 基于第一性原理與速率估計(jì)規(guī)則構(gòu)建生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化動力學(xué)模型
10．1 引言
10．2 計(jì)算方法
10．2．1 電子結(jié)構(gòu)計(jì)算
10．2．2 熱力學(xué)性質(zhì)
10．2．3 速率表達(dá)式
10．3 結(jié)果
10．3．1 H原子與CH3自由基參與醇類脫氫反應(yīng)的速率規(guī)則
10．3．2 醇類中氣相脫水反應(yīng)的速率規(guī)則
10．3．3 逆狄爾斯?阿爾德反應(yīng)：生成小分子裂解產(chǎn)物的快速反應(yīng)途徑？
10．3．4 木質(zhì)素模型化合物最初的分解步驟是什么？
10．4 討論
10．5 總結(jié)
10．6 致謝
10．7 參考文獻(xiàn)
第11章 生物質(zhì)熱化學(xué)過程中多尺度/多重物理場建模
11．1 生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化面臨的問題與尺度
11．2 生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化中多重物理場的組成
11．2．1 生物質(zhì)熱化學(xué)過程中連續(xù)水平的計(jì)算流體動力學(xué)
11．2．2 晶格玻爾茲曼方法
11．2．3 蒙特卡洛動力學(xué)
11．2．4 多尺度／多重物理場耦合方法的應(yīng)用實(shí)例
11．2．5 耦合多尺度／多重物理場成分的CWM方法
11．2．6 KMC與LBM耦合的時間積分
11．2．7 催化表面的分形投影
11．2．8 利用時間并行小波矩陣方法對時間加速
11．3 總結(jié)及展望
11．4 參考文獻(xiàn)
第12章 生物質(zhì)氣化與熱裂解的計(jì)算流體動力學(xué)模型
12．1 引言
12．1．1 發(fā)展的現(xiàn)狀與研究需求
12．2 生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝及建模
12．2．1 生物質(zhì)氣化的物理化學(xué)特性
12．2．2 氣固兩相流體動力學(xué)
12．3 CFD對于工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化的貢獻(xiàn)
12．3．1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)
12．3．2 反應(yīng)器放大
12．4 從描述CFD到預(yù)測CFD
12．4．1 現(xiàn)有模型
12．4．2 模型的鑒定與認(rèn)證
12．4．3 計(jì)算資源與建模的挑戰(zhàn)
12．5 結(jié)論
12．6 參考文獻(xiàn)
第13章 利用路徑取樣尋找精確反應(yīng)坐標(biāo)的新方法
13．1 引言
13．1．1 自由能與反應(yīng)坐標(biāo)
13．1．2 過渡態(tài)路徑取樣的中心思想
13．2 路徑取樣算法
13．2．1 勢阱的定義
13．2．2 尋找起始路徑
13．2．3 過渡態(tài)路徑取樣
13．2．4 無的放矢法
13．2．5 無的放矢法與其它方法的比較
13．3 由路徑取樣數(shù)據(jù)尋找反應(yīng)坐標(biāo)
13．3．1 pB與柱狀圖測試
13．3．2 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
13．3．3 極大似然法
13．3．4 其它尋找反應(yīng)坐標(biāo)的方法
13．4 通過已知反應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算自由能
13．5 由精確的反應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算速率常數(shù)
13．5．1 過渡態(tài)理論速率
13．5．2 內(nèi)摩擦的反應(yīng)速率
13．5．3 高摩擦限制下的反應(yīng)速率
13．6 總結(jié)及展望
13．7 致謝
13．8 參考文獻(xiàn)

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