发酵原理.ppt

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1、,发 酵 原 理,绪 论,2023/5/17,张星元：发酵原理,2,请带着以下问题听课：,1.发酵原理课程的沿革。2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？3.研究大千世界从何入手？4.怎样对抽象的问题进行形象思维？5.怎样认识微生物生物机器？6.知己知彼是主动合作的基础。7.发酵原理的研究方兴未艾。,2023/5/17,张星元：发酵原理,3,绪 论 随着生物化学、细胞生物学、应用分子生物学、遗传工程和代谢工程等学科的发展，以及分析、检测技术的成熟，工业发酵正在从技艺走向科学，我国大学的发酵工程专业正在融入生物工程专业。发酵工程作为生物工程的最贴近生产的组成部分愈来愈受到科学界和工程技术界的广泛重视

2、。,1.发酵原理课程的沿革,2023/5/17,张星元：发酵原理,4,我校发酵工程学科是我国最早设立发酵工程学科，至今已有50年历史。该发酵工程学科为全国发酵工程专业中唯一的国家重点学科点，国内首批硕士学位授予点，国内最早建立的两个发酵工程博士点之一，是国内首批轻工博士后流动站的主要成员单位；是教育部批准建设的36个“国家生命科学与技术人才培养基地”之一。,1.发酵原理课程的沿革,2023/5/17,张星元：发酵原理,5,发酵原理课程经过三十多年的酝酿，将近八年的建设（从理论建设到课程建设到教材建设到师资队伍建设），已成为我校生物工程学院创建的生物工程专业特色课程。随着对工业发酵的生物学属性的

3、认识的深入，发酵原理课程在生物工程专业课程体系中的核心地位越来越明显了。,1.发酵原理课程的沿革,2023/5/17,张星元：发酵原理,6,发酵原理课程既不同于细胞学，又不同于工艺学，它从发酵工业的现状出发，从生物学的视角，自成体系地展开工业发酵的科学道理，自然而然地在基础课、专业基础课和专业课之间架起桥梁，从而为专业知识的学习提供一个较高的起点。,1.发酵原理课程的沿革,2023/5/17,张星元：发酵原理,7,发酵原理课程旨在提高相关专业本科学生的科学素养，特别是生物科学和工程学的素养，为我国生物工业的腾飞培养能与国际先进水平接轨的、有超越潜力的人才。,1.发酵原理课程的沿革,2023/5

4、/17,张星元：发酵原理,8,发酵原理课程将在科学的水平上重新审视发酵工程，从生物科学和工程学的角度系统地讨论发酵工程的核心理论。,1.发酵原理课程的沿革,2023/5/17,张星元：发酵原理,9,微生物是工业发酵的“灵魂”。这句话强调微生物在工业发酵中的关键作用,以及工业发酵与工业化学过程、工业生物化学过程的不同属性。,2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？,2023/5/17,张星元：发酵原理,10,在工业化学过程中没有生物活性物质参与催化，所用催化剂也是无机物。工业生化过程属于由酶催化的体外酶反应过程，酶具有生物活性。当酶失活、辅酶耗尽，过程就停止了。,2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？

5、,2023/5/17,张星元：发酵原理,11,工业发酵过程是由活细胞参与的生命活动过程，没有微生物活细胞就没有工业发酵。微生物活细胞具有生物能转换、辅酶再生、代谢的自动调节等机制，这个过程原则上可以进行到基质原料耗尽或因代谢产物在细胞外累积造成环境极度恶化而影响微生物生存之时。,2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？,2023/5/17,张星元：发酵原理,12,生命体，包括非细胞生物（譬如病毒）和细胞生物（微生物、植物、动物）都处于高度有序的状态，而这种高度有序的状态的建立和维持需要生物可以直接利用的能量代谢能。代谢能从哪里来？只能从其他形式的能量转化而来，不同的细胞生物有不同的转化方法，这取决

6、于它们各自的生存方式。,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,13,工业发酵要依靠微生物的生命活动。我们该怎样认识微生物细胞呢？微生物细胞与其他生物细胞有什么不同的地方呢？在工业发酵过程中，人类与微生物细胞发生什么样的关系呢？,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,14,2023/5/17,张星元：发酵原理,15,体积小；种类多；分布广；繁殖快；便于培养；容易发生变异；人工培养不受季节、地域的限制,独立存在,自主生存,微 生 物 的 特 点,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,16,细胞,单细胞蛋白（白色食品

7、，蓝色食品）,生物转化,结构复杂的有机产品（譬如甾醇的生物转化),细胞的产物,酶（如葡萄糖异构酶等）,次级代谢产物（如抗生素）,初级代谢产物（如氨基酸）,能量代谢副产物（如乙醇）,中心代谢产物（如柠檬酸）,直接面向环境,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,17,工业发酵过程是微生物群体生命活动的动态过程，这个过程是五花八门、千变万化的。具体表现为种种多样性，譬如微生物种群的多样性、微生物营养类型的多样性、微生物培养条件的多样性、目的产物的多样性、微生物生长与目的产物生成的偶联方式的多样性等等。,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,18

8、,世界真奇妙，生物世界真奇妙，微生物世界真奇妙，工业发酵真奇妙！奇妙是客观存在的，面对如此奇妙是客观存在，必须找到研究的出发点，才有可能发现世界某一局部运行的规律，然后再一步步地把研究推向深处。发酵原理的研究要落到实处就必须确定研究的出发点（发酵的类群），以及研究的具体载体（微生物菌种和对应的产物）。,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,19,研究的定位：1.对现状的感性认识，2.对现状的理性认识，3.研究出发点的确定；4.研究的逐步深入，5.事物本质的揭示；6.研究的范围的扩展,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,20,最常见的工业

9、发酵一般符合以下条件：1.生产菌种属于化能异养型微生物，2.目的产物属于初级代谢产物，3.单一的目的产物在细胞内生成后被分泌到细胞外。在这门课程里，我们把符合以上条件的工业发酵类群叫做典型的工业发酵。对工业发酵的研究就从它开始。,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,21,这主要是因为化能异养型微生物的代谢与高等生物细胞的代谢有较多的相似之处，特别是从碳元素的代谢入手有较好研究基础；从排出细胞的单一的初级代谢产物的生产入手，不但可以简化代谢网络的层次性，而且有利于建立从主要碳源到目的产物的计量关系。,3.研究大千世界从何入手？,2023/5/17,张星元：发酵原理,

10、22,工业发酵过程靠如下三种流动来维系：即伴随能量形式的转换而发生的电子流动、伴随异化和同化作用而发生的物质流动，以及伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动。在以上认识的基础上，我们提出了微生物（化能异养型微生物）细胞生命活动的三个基本假说，并要把它们作为本课程的核心内容来讨论。,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,23,微生物生命活动的三个基本假说：代谢能支撑假说：微生物细胞生命活动的驱动原理（微生物能学）代谢网络假说：代谢网络与代谢物流图（微生物第二解剖学）细胞经济假说：细胞经济运行与生存保障原理（细胞经济学）。,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,

11、2023/5/17,张星元：发酵原理,24,代谢能支撑假设挑明了微生物生命活动的前提，即微生物细胞代谢能的持续供应问题；代谢网络假设梳理了微生物生命活动的内容，具体化了微生物细胞的能量、物质的转化关系；细胞经济假设揭示微生物生命活动的经济管理原则，这些原则是人和微生物合作成功的基础。,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,25,ATP,ATP酶,呼吸链,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,26,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,27,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5

12、/17,张星元：发酵原理,28,分泌能量代谢的副产物（乙醇、乳酸等）,分泌生物大分子的前体（氨基酸、核酸等）,分泌生物大分子（酶、微生物多糖等）,碳架,ATP,结构单位,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,29,从对工业发酵的现状的分析和梳理，到典型的工业发酵的界定，是一个从一般到特殊的认识过程。我们以典型的工业发酵为研究的出发点，研究工业发酵，并期望建立一个从特殊到一般的认识，找到工业发酵的普遍规律。,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,30,运用这三个基本假设来分析典型的工业发酵，提出了：1.为工业生产服务的若干推

13、理2.工业发酵的微生物细胞机器的 工作模式3.工业微生物代谢的“五段式”4.工业发酵的“五字策略”。,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,31,微生物细胞是发酵工厂最重要的机器,2023/5/17,张星元：发酵原理,32,微生物细胞机器的工作模式,Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,33,菌种选育和工艺控制的“五字策略”,4.怎样对抽象的问题进行形象思维？,2023/5/17,张星元：发酵原理,34,现

14、代发酵工程依靠微生物来完成发酵工厂生产线上的必不可少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物细胞就是工业发酵生产线上特殊机器细胞机器。细胞机器与普通意义上的机器不同，细胞机器必须由代谢能直接驱动。在发酵工厂的生产线上，微生物细胞机器必须完成“在线制造”和“生产运行”的双重任务。,5.怎样认识微生物生物机器？,2023/5/17,张星元：发酵原理,35,“微生物细胞”是生物学的概念；“微生物细胞机器”是工程学的概念。菌种微生物细胞是对应的发酵产物的细胞机器，因此是有工业生产个性的微生物细胞。微生物细胞机器是从天然的微生物细胞改造成的，因此天然的微生物具有成为微生物细胞机器的潜在能力。,5.怎样

15、认识微生物生物机器？,2023/5/17,张星元：发酵原理,36,微生物细胞在发酵工业上以细胞机器的身份出现时，必须体现人的意志。然而，“微生物细胞机器”的微生物属性决定了它必须按微生物细胞固有的经济管理原则运行。如果两者不一致怎么办？,5.怎样认识微生物生物机器？,2023/5/17,张星元：发酵原理,37,人和微生物同是地球上的居民，在理论上处于平等的地位，微生物没有为人类服务的义务。人贵有自知之明，因为人有思想。,6.知己知彼是主动合作的基础。,2023/5/17,张星元：发酵原理,38,千千万万年的物竞天择早已决定了微生物的价值取向；在工业发酵中，人控制下的微生物细胞机器与微生物自身的

16、价值取向不一定一致，为了引导微生物为我们服务，人必须发挥主观能动作用，遵循并灵活应用这些原则，正确处理工业发酵生产中人与微生物的对立统一关系，促成微生物与人的合作。,6.知己知彼是主动合作的基础。,2023/5/17,张星元：发酵原理,39,发酵原理是工业发酵的生物学原理的简称。它研究工业微生物在生长、繁殖与发酵过程中的正常代谢与异常代谢规律，探索关于提高发酵法工业生产能力的应用原理，探索关于开发工业发酵新原料、新产品、新工艺的理论根据，是生物工程领域生物学理论的重要组成部分。它在生物工程领域的作用将随着它自身的不断完善而发挥不可替代的愈来愈重要的作用。,7.发酵原理的研究方兴未艾。,2023

17、/5/17,张星元：发酵原理,40,发酵原理的研究刚刚开始，以全新的思路研究发酵科学和发酵工程，前程远大。发酵原理的研究有待于深入、完善和扩展。需扩展的领域是显而易见的，主要是以下几方面：,7.发酵原理的研究方兴未艾。,2023/5/17,张星元：发酵原理,41,1.微生物营养类型的扩展2.不同元素的代谢的扩展3.不同代谢层面的扩展4.原料与目的产物的扩展5.原料群和产物群的扩展,7.发酵原理的研究方兴未艾。,2023/5/17,张星元：发酵原理,42,确立中国发酵学科的自尊，加速我国发酵学科的系统升级的进程。民族的尊严要靠对人类文明的贡献来支撑。从长远的观点看问题，机遇往往垂青于勤奋而有准备的人们。,2023/5/17,张星元：发酵原理,43,复 习 题,1.试述生命的含义。2.与其他细胞生物相比较微生物的生命 活动有何特点？3.试述工业发酵的范畴。4.本课程将着重讨论那三个基本假说？5.天然的微生物细胞与发酵工厂的微生 物生物机器在价值取向上是否一致？6.怎样理解人类与微生物的合作？7.如何认识研究发酵原理任重而道远？,