《發(fā)酵原理》課程

1、發(fā) 酵 原 理緒 論2022/7/11張星元：發(fā)酵原理2請(qǐng)帶著以下問題聽課：1.發(fā)酵原理課程的沿革 。2.為什么說微生物是工業(yè)發(fā)酵的靈魂？3.研究大千世界從何入手？4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？5.怎樣認(rèn)識(shí)微生物生物機(jī)器？6.知己知彼是主動(dòng)合作的基礎(chǔ)。7.發(fā)酵原理的研究方興未艾。2022/7/11張星元：發(fā)酵原理3 緒 論 隨著生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、應(yīng)用分子生物學(xué)、遺傳工程和代謝工程等學(xué)科的發(fā)展，以及分析、檢測(cè)技術(shù)的成熟，工業(yè)發(fā)酵正在從技藝走向科學(xué)，我國大學(xué)的發(fā)酵工程專業(yè)正在融入生物工程專業(yè)。發(fā)酵工程作為生物工程的最貼近生產(chǎn)的組成部分愈來愈受到科學(xué)界和工程技術(shù)界的廣泛重視。1.發(fā)酵原理課程

2、的沿革2022/7/11張星元：發(fā)酵原理4 我校發(fā)酵工程學(xué)科是我國最早設(shè)立發(fā)酵工程學(xué)科，至今已有50年歷史。該發(fā)酵工程學(xué)科為全國發(fā)酵工程專業(yè)中唯一的國家重點(diǎn)學(xué)科點(diǎn)，國內(nèi)首批碩士學(xué)位授予點(diǎn)，國內(nèi)最早建立的兩個(gè)發(fā)酵工程博士點(diǎn)之一，是國內(nèi)首批輕工博士后流動(dòng)站的主要成員單位；是教育部批準(zhǔn)建設(shè)的36個(gè) “國家生命科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)基地”之一。1.發(fā)酵原理課程的沿革2022/7/11張星元：發(fā)酵原理5 發(fā)酵原理課程經(jīng)過三十多年的醞釀，將近八年的建設(shè)（從理論建設(shè)到課程建設(shè)到教材建設(shè)到師資隊(duì)伍建設(shè)），已成為我校生物工程學(xué)院創(chuàng)建的生物工程專業(yè)特色課程。隨著對(duì)工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)的深入， 發(fā)酵原理課程在生物

3、工程專業(yè)課程體系中的核心地位越來越明顯了。1.發(fā)酵原理課程的沿革2022/7/11張星元：發(fā)酵原理6 發(fā)酵原理課程既不同于細(xì)胞學(xué)，又不同于工藝學(xué)，它從發(fā)酵工業(yè)的現(xiàn)狀出發(fā)，從生物學(xué)的視角，自成體系地展開工業(yè)發(fā)酵的科學(xué)道理，自然而然地在基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間架起橋梁，從而為專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)提供一個(gè)較高的起點(diǎn)。1.發(fā)酵原理課程的沿革2022/7/11張星元：發(fā)酵原理7 發(fā)酵原理課程旨在提高相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，特別是生物科學(xué)和工程學(xué)的素養(yǎng)，為我國生物工業(yè)的騰飛培養(yǎng)能與國際先進(jìn)水平接軌的、有超越潛力的人才。1.發(fā)酵原理課程的沿革2022/7/11張星元：發(fā)酵原理8 發(fā)酵原理課程將在科學(xué)的水

4、平上重新審視發(fā)酵工程，從生物科學(xué)和工程學(xué)的角度系統(tǒng)地討論發(fā)酵工程的核心理論。1.發(fā)酵原理課程的沿革2022/7/11張星元：發(fā)酵原理9 微生物是工業(yè)發(fā)酵的 “ 靈魂 ” 。 這句話強(qiáng)調(diào)微生物在工業(yè)發(fā)酵中的關(guān)鍵作用, 以及工業(yè)發(fā)酵與工業(yè)化學(xué)過程、工業(yè)生物化學(xué)過程的不同屬性。2.為什么說微生物是工業(yè)發(fā)酵的靈魂？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理10 在工業(yè)化學(xué)過程中沒有生物活性物質(zhì)參與催化，所用催化劑也是無機(jī)物。工業(yè)生化過程屬于由酶催化的體外酶反應(yīng)過程，酶具有生物活性。當(dāng)酶失活、輔酶耗盡，過程就停止了。2.為什么說微生物是工業(yè)發(fā)酵的靈魂？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理11 工業(yè)發(fā)酵過程是由活細(xì)

5、胞參與的生命活動(dòng)過程，沒有微生物活細(xì)胞就沒有工業(yè)發(fā)酵。微生物活細(xì)胞具有生物能轉(zhuǎn)換、輔酶再生、代謝的自動(dòng)調(diào)節(jié)等機(jī)制，這個(gè)過程原則上可以進(jìn)行到基質(zhì)原料耗盡或因代謝產(chǎn)物在細(xì)胞外累積造成環(huán)境極度惡化而影響微生物生存之時(shí)。2.為什么說微生物是工業(yè)發(fā)酵的靈魂？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理12 生命體，包括非細(xì)胞生物（ 譬如病毒）和細(xì)胞生物（微生物、植物、動(dòng)物）都處于高度有序的狀態(tài)，而這種高度有序的狀態(tài)的建立和維持需要生物可以直接利用的能量代謝能。代謝能從哪里來？只能從其他形式的能量轉(zhuǎn)化而來，不同的細(xì)胞生物有不同的轉(zhuǎn)化方法，這取決于它們各自的生存方式。3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元

6、：發(fā)酵原理13 工業(yè)發(fā)酵要依靠微生物的生命活動(dòng)。我們?cè)撛鯓诱J(rèn)識(shí)微生物細(xì)胞呢？微生物細(xì)胞與其他生物細(xì)胞有什么不同的地方呢？在工業(yè)發(fā)酵過程中，人類與微生物細(xì)胞發(fā)生什么樣的關(guān)系呢？3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理14真核細(xì)胞原核細(xì)胞電鏡微 生 物 的 相 對(duì) 大 小肉眼光學(xué)顯微鏡病毒3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理15體積?。环N類多；分布廣；繁殖快；便于培養(yǎng)；容易發(fā)生變異；人工培養(yǎng)不受季節(jié)、地域的限制 獨(dú)立存在自主生存微 生 物 的 特 點(diǎn)3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理16細(xì)胞單細(xì)胞蛋白（白色食品，藍(lán)色食品）生物轉(zhuǎn)

7、化結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)產(chǎn)品（譬如甾醇的生物轉(zhuǎn)化)細(xì)胞的產(chǎn)物酶（如葡萄糖異構(gòu)酶等）次級(jí)代謝產(chǎn)物（如抗生素）初級(jí)代謝產(chǎn)物（如氨基酸）能量代謝副產(chǎn)物（如乙醇）中心代謝產(chǎn)物（如檸檬酸）直接面向環(huán)境3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理17 工業(yè)發(fā)酵過程是微生物群體生命活動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程，這個(gè)過程是五花八門、千變?nèi)f化的。具體表現(xiàn)為種種多樣性，譬如微生物種群的多樣性、微生物營養(yǎng)類型的多樣性、微生物培養(yǎng)條件的多樣性、目的產(chǎn)物的多樣性、微生物生長與目的產(chǎn)物生成的偶聯(lián)方式的多樣性等等。3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理18 世界真奇妙，生物世界真奇妙，微生物世界真奇妙，工業(yè)

8、發(fā)酵真奇妙！奇妙是客觀存在的，面對(duì)如此奇妙是客觀存在，必須找到研究的出發(fā)點(diǎn)，才有可能發(fā)現(xiàn)世界某一局部運(yùn)行的規(guī)律，然后再一步步地把研究推向深處。發(fā)酵原理的研究要落到實(shí)處就必須確定研究的出發(fā)點(diǎn)（發(fā)酵的類群），以及研究的具體載體（微生物菌種和對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物）。3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理19研究的定位：1.對(duì)現(xiàn)狀的感性認(rèn)識(shí)，2.對(duì)現(xiàn)狀的理性認(rèn)識(shí)，3.研究出發(fā)點(diǎn)的確定；4.研究的逐步深入，5.事物本質(zhì)的揭示；6.研究的范圍的擴(kuò)展3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理20最常見的工業(yè)發(fā)酵一般符合以下條件：1.生產(chǎn)菌種屬于化能異養(yǎng)型微生物，2.目的產(chǎn)物屬于

9、初級(jí)代謝產(chǎn)物，3.單一的目的產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)生成后被分泌到細(xì)胞外。 在這門課程里，我們把符合以上條件的工業(yè)發(fā)酵類群叫做典型的工業(yè)發(fā)酵。對(duì)工業(yè)發(fā)酵的研究就從它開始。 3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理21 這主要是因?yàn)榛墚愷B(yǎng)型微生物的代謝與高等生物細(xì)胞的代謝有較多的相似之處，特別是從碳元素的代謝入手有較好研究基礎(chǔ)；從排出細(xì)胞的單一的初級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)入手，不但可以簡化代謝網(wǎng)絡(luò)的層次性，而且有利于建立從主要碳源到目的產(chǎn)物的計(jì)量關(guān)系。3.研究大千世界從何入手？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理22 工業(yè)發(fā)酵過程靠如下三種流動(dòng)來維系：即伴隨能量形式的轉(zhuǎn)換而發(fā)生的電子流動(dòng)、伴隨異

10、化和同化作用而發(fā)生的物質(zhì)流動(dòng)，以及伴隨不同水平上的代謝調(diào)節(jié)而發(fā)生的信息流動(dòng)。在以上認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，我們提出了微生物（化能異養(yǎng)型微生物）細(xì)胞生命活動(dòng)的三個(gè)基本假說，并要把它們作為本課程的核心內(nèi)容來討論。4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理23 微生物生命活動(dòng)的三個(gè)基本假說： 代謝能支撐假說：微生物細(xì)胞生命活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)原理（微生物能學(xué)） 代謝網(wǎng)絡(luò)假說：代謝網(wǎng)絡(luò)與代謝物流圖（微生物第二解剖學(xué)） 細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說：細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與生存保障原理（細(xì)胞經(jīng)濟(jì)學(xué)）。4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理24 代謝能支撐假設(shè)挑明了微生物生命活動(dòng)的前提，即微生物

11、細(xì)胞代謝能的持續(xù)供應(yīng)問題；代謝網(wǎng)絡(luò)假設(shè)梳理了微生物生命活動(dòng)的內(nèi)容，具體化了微生物細(xì)胞的能量、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系；細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假設(shè)揭示微生物生命活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)管理原則，這些原則是人和微生物合作成功的基礎(chǔ)。4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理25ATPATP酶呼吸鏈4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理264.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理274.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理28分泌能量代謝的副產(chǎn)物 （乙醇、乳酸等）分泌生物大分子的前體（氨基酸、核酸等）分泌生物大分子（酶、微生物

12、多糖等）碳架ATP結(jié)構(gòu)單位4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理29 從對(duì)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀的分析和梳理，到典型的工業(yè)發(fā)酵的界定，是一個(gè)從一般到特殊的認(rèn)識(shí)過程。 我們以典型的工業(yè)發(fā)酵為研究的出發(fā)點(diǎn)，研究工業(yè)發(fā)酵，并期望建立一個(gè)從特殊到一般的認(rèn)識(shí)，找到工業(yè)發(fā)酵的普遍規(guī)律。4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理30 運(yùn)用這三個(gè)基本假設(shè)來分析典型的工業(yè)發(fā)酵，提出了：1.為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的若干推理2.工業(yè)發(fā)酵的微生物細(xì)胞機(jī)器的 工作模式3.工業(yè)微生物代謝的“五段式”4. 工業(yè)發(fā)酵的“五字策略”。4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張

13、星元：發(fā)酵原理31微生物細(xì)胞是發(fā)酵工廠最重要的機(jī)器2022/7/11張星元：發(fā)酵原理32微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理33NPP進(jìn)出通節(jié)堵菌種選育和工藝控制的“五字策略”4.怎樣對(duì)抽象的問題進(jìn)行形象思維？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理34 現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上的必不可少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個(gè)意義上，微生物細(xì)胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上特殊機(jī)器細(xì)胞機(jī)器。細(xì)胞機(jī)器與普通意義上的機(jī)器不同，細(xì)胞機(jī)器

14、必須由代謝能直接驅(qū)動(dòng)。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物細(xì)胞機(jī)器必須完成“ 在線制造 ”和“生產(chǎn)運(yùn)行”的雙重任務(wù)。5.怎樣認(rèn)識(shí)微生物生物機(jī)器？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理35 “微生物細(xì)胞”是生物學(xué)的概念；“微生物細(xì)胞機(jī)器”是工程學(xué)的概念。菌種微生物細(xì)胞是對(duì)應(yīng)的發(fā)酵產(chǎn)物的細(xì)胞機(jī)器，因此是有工業(yè)生產(chǎn)個(gè)性的微生物細(xì)胞。微生物細(xì)胞機(jī)器是從天然的微生物細(xì)胞改造成的，因此天然的微生物具有成為微生物細(xì)胞機(jī)器的潛在能力。 5.怎樣認(rèn)識(shí)微生物生物機(jī)器？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理36 微生物細(xì)胞在發(fā)酵工業(yè)上以細(xì)胞機(jī)器的身份出現(xiàn)時(shí)，必須體現(xiàn)人的意志。然而，“ 微生物細(xì)胞機(jī)器 ” 的微生物屬性決定了它必須按

15、微生物細(xì)胞固有的經(jīng)濟(jì)管理原則運(yùn)行。如果兩者不一致怎么辦？5.怎樣認(rèn)識(shí)微生物生物機(jī)器？2022/7/11張星元：發(fā)酵原理37 人和微生物同是地球上的居民，在理論上處于平等的地位，微生物沒有為人類服務(wù)的義務(wù)。人貴有自知之明，因?yàn)槿擞兴枷搿?.知己知彼是主動(dòng)合作的基礎(chǔ)。2022/7/11張星元：發(fā)酵原理38 千千萬萬年的物競天擇早已決定了微生物的價(jià)值取向；在工業(yè)發(fā)酵中，人控制下的微生物細(xì)胞機(jī)器與微生物自身的價(jià)值取向不一定一致，為了引導(dǎo)微生物為我們服務(wù)，人必須發(fā)揮主觀能動(dòng)作用，遵循并靈活應(yīng)用這些原則，正確處理工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中人與微生物的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系，促成微生物與人的合作。6.知己知彼是主動(dòng)合作的基礎(chǔ)。2

16、022/7/11張星元：發(fā)酵原理39 發(fā)酵原理是工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)原理的簡稱。它研究工業(yè)微生物在生長、繁殖與發(fā)酵過程中的正常代謝與異常代謝規(guī)律，探索關(guān)于提高發(fā)酵法工業(yè)生產(chǎn)能力的應(yīng)用原理，探索關(guān)于開發(fā)工業(yè)發(fā)酵新原料、新產(chǎn)品、新工藝的理論根據(jù)，是生物工程領(lǐng)域生物學(xué)理論的重要組成部分。它在生物工程領(lǐng)域的作用將隨著它自身的不斷完善而發(fā)揮不可替代的愈來愈重要的作用。7.發(fā)酵原理的研究方興未艾。2022/7/11張星元：發(fā)酵原理40 發(fā)酵原理的研究剛剛開始，以全新的思路研究發(fā)酵科學(xué)和發(fā)酵工程，前程遠(yuǎn)大。發(fā)酵原理的研究有待于深入、完善和擴(kuò)展。需擴(kuò)展的領(lǐng)域是顯而易見的，主要是以下幾方面：7.發(fā)酵原理的研究方興未艾。2022/7/11張星元：發(fā)酵原理411.微生物營養(yǎng)類型的擴(kuò)展2.不同元素的代謝的擴(kuò)展3.不同代謝層面的擴(kuò)展4.原料與目的產(chǎn)物的擴(kuò)展5.原料群和產(chǎn)物群的擴(kuò)展7.發(fā)酵原理的研究方興