工业发酵的被动性和人的主观能动作用无锡.ppt

工业发酵的被动性和人的主观能动作用无锡现在学习的是第1页，共39页02-11-82 定位：人与微生物都是地球上的居民定位：人与微生物都是地球上的居民 人人在在发发酵酵工工业业生生产产中中处处于于被被动动的的地地位位。微微生生物物的的生生存存利利益益与与人人类类的的经经济济利利益益，也也就就是是微微生生物物的的生生命命活活动动规规律律和和人人的的主主观观意意志志，既既是是对对立立的的，又又是是统统一一的的；发发酵酵工工程程领领域域的的科科学学家家和和工工程程师师的的工工作作就就在在于于努努力力促促使使对对立立向向统统一一的的转转化化。为为解解决决这这个个难难题题，作作者者提提出出了了“微微生生物物生生物物机机器器”的的创创新新思思路路和和发发酵酵工工程程的的生生物物学理论的框架。学理论的框架。现在学习的是第2页，共39页02-11-83 工业发酵领域的挑战性的问题工业发酵领域的挑战性的问题 在在发发酵酵工工业业生生产产中中，人人的的意意愿愿要要通通过过微微生生物物的的生生命命活活动动来来实实现现，在在这这个个意意义义上上，人人在在发发酵酵工工业业生生产产中中处处于于被被动动的的地地位位。在在发发酵酵工工业业生生产产中中如如何何发发挥挥人人的的主主观观能能动动作作用用，这这对对于于工工业业微微生生物物学学家家和和发发酵酵工工程程师师来来说说，始始终终是是一一个个挑挑战战性性的问题。的问题。现在学习的是第3页，共39页02-11-84历史地看待微生物的进化和发展历史地看待微生物的进化和发展 在在微微生生物物进进化化的的历历史史长长河河中中，运运动动变变化化中中的的微微生生物物经经受受了了环环境境的的种种种种考考验验，经经过过生生存存斗斗争争，适适者者生生存存下下来来，形形成成现现在在的的各各种种微微生生物物物物种种。因因此此，它它们们是是经经物物竞竞天天择择而而得得到到的的阶阶段段性性进进化化成成果果。它它们们的的生生命命活活动动规规律律是是在在亿亿万万年年的的物物竞竞天天择择的的过过程程中中建建立立和和逐逐步步完完善善的的，是是不不以以人的主观意志为转移的客观存在。人的主观意志为转移的客观存在。现在学习的是第4页，共39页02-11-85微生物的进化不可能刻意去照顾人类的利益微生物的进化不可能刻意去照顾人类的利益 天天然然存存在在的的各各种种微微生生物物物物种种的的生生命命活活动动过过程程不不论论是是造造福福于于人人类类或或危危害害人人类类的的都都是是它它们们按按它它们们自自己己的的生生命命活活动动规规律律进进行行生生存存竞竞争争的的新新陈陈代代谢谢过过程程。微微生生物物的的天天然然进进化化不不可可能能刻意去照顾人类的利益。刻意去照顾人类的利益。为为发发酵酵工工业业服服务务的的育育种种是是另另一一种种意意义义上上的的进进化化。首首先先，它它被被期期望望按按人人选选定定的的造造福福于于人人类类的的方方向向进进行行的的；其其次次，它它的的速速度度远远远远高高于于一一般般意义上的进化。意义上的进化。现在学习的是第5页，共39页02-11-86辩证地看待人与微生物之间的对立与统一辩证地看待人与微生物之间的对立与统一 微微生生物物生生命命活活动动有有其其自自己己的的生生存存、发发展展的的保保障障机机制制，这这些些机机制制服服务务于于它它们们自自身身的的生生存存竞竞争争；在在工工业业生生产产中中，人人类类谋谋求求经经济济效效益益。微微生生物物的的生生存存利利益益与与人人类类的的经经济济利利益益（也也就就是是微微生生物物的的生生命命活活动动规规律律和和人人的的意意志志），这这两两者者既既是是对对立立的的，又又是是统统一一的的。科科学学和和技技术术工工作作的的目目的的就就在于努力促使对立向统一的转化。在于努力促使对立向统一的转化。现在学习的是第6页，共39页02-11-87微生物独立存在自主生活微生物独立存在自主生活 微生物在其生存的环境中独立存在微生物在其生存的环境中独立存在自主生活；微生物进化的总的方向，是自主生活；微生物进化的总的方向，是发展其生存竞争的能力，即其生命活动发展其生存竞争的能力，即其生命活动的经济性和其自身对其所处的环境的适的经济性和其自身对其所处的环境的适应性。任何代谢中间产物或细胞组分的应性。任何代谢中间产物或细胞组分的过多生成和排出细胞，都是对微生物细过多生成和排出细胞，都是对微生物细胞增长的釜底抽薪，都是与微生物生长胞增长的釜底抽薪，都是与微生物生长和求生存的利益背道而驰的，是不利于和求生存的利益背道而驰的，是不利于生存竞争的。生存竞争的。现在学习的是第7页，共39页02-11-88从实际出发选好研究的典型从实际出发选好研究的典型 工工业业发发酵酵的的世世界界太太奇奇妙妙，但但对对它它的的研研究究要要从从最最普普通通的的发发酵酵开开始始。我我们们从从当当今今发发酵酵工工业业实实际际出出发发，把把以以化化能能异异养养型型微微生生物物为为生生产产菌菌种种，从从成成熟熟的的发发酵酵醪醪液液中中获获取取代代谢谢中中间间产产物物的的工工业业发发酵酵作作为为典典型型的的工工业业发发酵来研究。酵来研究。现在学习的是第8页，共39页02-11-89为典型的工业发酵建立工作模式为典型的工业发酵建立工作模式 从一个个的发酵生产实例，到工业从一个个的发酵生产实例，到工业发酵的概念的形成，是一个从个别（特发酵的概念的形成，是一个从个别（特殊）到一般的认识过程；从对工业发酵殊）到一般的认识过程；从对工业发酵的现状的分析和梳理，到典型的工业发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对过程。我们以典型的工业发酵为研究对象，并为它建立了微生物生物机器的工象，并为它建立了微生物生物机器的工作模式。作模式。现在学习的是第9页，共39页02-11-810生物机器的工作模式生物机器的工作模式Working pattern of bio-machine in Industrial Fermentation现在学习的是第10页，共39页02-11-811发酵工程的发酵工程的生物学理论的框架生物学理论的框架现在学习的是第11页，共39页02-11-812发酵工程的生物学理论的框架发酵工程的生物学理论的框架 我我们们把把现现代代生生物物学学关关于于能能量量转转换换的的电电子子流流动动、物物质质流流动动和和信信息息流流动动这这三三个个基基本本观观点点引引入入了了发发酵酵工工程程领领域域，提提出出了了关关于于微微生生物物生生命命活活动动的的三三个个基基本本假假说说。用用这这三三个个基基本本假假说说重重新新审审视视了了发发酵酵工工程程，于于是是就就有有了了四四条条新新思思路路。根根据据以以上上三三个个观观点点和和四四条条新新思思路路，结结合合发发酵酵工工程程和和环环境境生生物物工工程程的的原原有有的的专专业业知知识识进进行行演演绎绎推推理理，做做出出了了关关于于微微生生物物工工业业（主主要要包包括括发发酵酵工工程程和和环境生物工程等）的八环境生物工程等）的八个应用性推理个应用性推理。现在学习的是第12页，共39页02-11-813假说一：假说一：生物能支撑假说生物能支撑假说 微生物细胞的生长和维微生物细胞的生长和维持需要其自身能量转换机构从持需要其自身能量转换机构从其它形式的能量转化而形成的其它形式的能量转化而形成的生物能来支撑。生物能来支撑。现在学习的是第13页，共39页02-11-814假说二：假说二：代谢网络假说代谢网络假说 微生物细胞是个远离平微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放体系，衡状态的不平衡的开放体系，微生物细胞的代谢和生长依赖微生物细胞的代谢和生长依赖于横跨细胞内外的代谢网络来于横跨细胞内外的代谢网络来实现。实现。现在学习的是第14页，共39页02-11-815假说三：假说三：细胞经济假说细胞经济假说 在物竞天择的基础上建立在物竞天择的基础上建立的细胞经济体系是微生物细胞的细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系。生存的保障体系。返回现在学习的是第15页，共39页02-11-816“微生物生物机器微生物生物机器”（1）现现代代发发酵酵工工程程依依靠靠微微生生物物来来完完成成发发酵酵工工厂厂生生产产线线上上的的必必不不可可少少的的加加工工（或或转转化化）步步骤骤，在在这这个个意意义义上上，微微生生物物细细胞胞就就是是工工业业发发酵酵生生产产线线上上特特殊殊机机器器“微微生生物物生生物物机机器器”。没没有有微微生生物物就就没没有有发发酵酵工工程程，微微生生物物是是发发酵酵工工程程的的灵灵魂魂。微微生生物物菌菌种种是是决定生产成败的内因。决定生产成败的内因。现在学习的是第16页，共39页02-11-817“在线制造在线制造”和和“生产运行生产运行”的双重任务的双重任务（2）生生物物机机器器与与普普通通意意义义上上的的机机器器不不同同，生生物物机机器器必必须须由由生生物物能能（bio-energy）直直接接驱驱动动。在在发发酵酵工工厂厂的的生生产产线线上上，微微生生物物必必须须完完成成“微微生生物物生生物物机机器器”的的“在在线线制制造造”和和“生生产产运运行行”的的双双重重任任务务。因因而而，菌菌种种确确定定以以后后，仍仍需需对对发发酵酵生生产产的的操操作作条条件件作作相相应应的的阶阶段段性性的的变变通通，调调节节“在在线线制制造造”和和“生生产产运运行行”的的条条件件，控控制制“机机器器”的的数数量量和和质质量量，维持新陈代谢，生产目的产物。维持新陈代谢，生产目的产物。现在学习的是第17页，共39页02-11-818“微生物生物机器微生物生物机器”工作原理工作原理（3）“微微生生物物生生物物机机器器”按按其其自自身身固固有有的的规规律律运运行行，为为了了引引导导微微生生物物为为我我们们服服务务，必必须须深深入入研研究究微微生生物物生生物物机机器器的的工工作作原原理理。建建立立微微生生物物工工作作模模式式，为为“微微生生物物生生物物机机器器”实实验验研研究究和和哲哲学学思思辨辨选选好好对对象象，为为“微微生生物物生生物物机机器器”工工作作原原理的研究找到支点。理的研究找到支点。现在学习的是第18页，共39页02-11-819现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢 （4）发发酵酵工工程程具具有有鲜鲜明明的的生生物物学学属属性性，现现代代发发酵酵工工程程的的出出路路在在于于向向生生物物学学靠靠拢拢。发发酵酵生生产产向向化化学学工工程程学学习习，实实现现了了工工业业化化的的飞飞跃跃；发发酵酵生生产产与与生生物物学学的的结结合合酝酝酿酿着着发发酵酵工工程程的的又又一一次次革革命命性性的的飞飞跃跃。发发酵酵工工程程将将在在生生物物学学和和工工程程学学的的支支撑撑下下，进进入入了了发发酵酵工工程程发发展展的的新新阶阶段段，成成为为生生物物工工程程的的一一个重要的组成部分。个重要的组成部分。返回现在学习的是第19页，共39页02-11-820推理一：物质、能量转化的推理推理一：物质、能量转化的推理 如如果果假假说说一一、二二成成立立，微微生生物物细细胞胞可可以以经经物物质质代代谢谢和和能能量量代代谢谢，将将其其从从生生存存环环境境中中获获得得的的营营养养物物质质和和能能源源物物质质，转转化化成成产产物物（细细胞胞、可可溶溶性性有有机机物物、气气体体）和生物能，以及其他形式的能量。和生物能，以及其他形式的能量。现在学习的是第20页，共39页02-11-821 推理二：细胞资产流失的推理推理二：细胞资产流失的推理 如果推理一和假说一、三成如果推理一和假说一、三成立，那么，细胞获得的物质和能立，那么，细胞获得的物质和能量中，有一部分将以量中，有一部分将以胞外产物胞外产物（包括流出的物质代谢中间产物（包括流出的物质代谢中间产物和能量代谢副产物）和和能量代谢副产物）和热能热能的形的形式从细胞流失。式从细胞流失。现在学习的是第21页，共39页02-11-822 推理三：原料与产物的推理推理三：原料与产物的推理 如果推理一、二和假说二成立，如果推理一、二和假说二成立，那么那么代谢网络代谢网络中任何一种中间产物，中任何一种中间产物，包括借助生物学、化学方法可与代包括借助生物学、化学方法可与代谢网络谢网络联网联网的任何一种化合物，都有的任何一种化合物，都有可能被开发成为工业发酵的可能被开发成为工业发酵的原料原料或或目目的产物的产物。现在学习的是第22页，共39页02-11-823 推理四：生物机器的推理（之一）推理四：生物机器的推理（之一）如果推理一、二和假说一、二、三如果推理一、二和假说一、二、三成立，那么可以根据要求细胞分泌的目成立，那么可以根据要求细胞分泌的目的产物的种类和数量确定目标，借助菌的产物的种类和数量确定目标，借助菌种改良和发酵工艺控制，对微生物细胞种改良和发酵工艺控制，对微生物细胞的代谢进行的代谢进行有限的导向有限的导向，调整微生物细胞，调整微生物细胞合成并分泌目的产物的种类和数量，从而成合成并分泌目的产物的种类和数量，从而成为发酵工厂的为发酵工厂的生物机器生物机器。现在学习的是第23页，共39页02-11-824 推理五：新的过程参数的推理推理五：新的过程参数的推理 如果假说一成立，那么微生如果假说一成立，那么微生物生成和分泌主要物生成和分泌主要能量代谢副产能量代谢副产物物的量的变化的量的变化，也将也将成为过量合成成为过量合成目的产物的工业发酵过程的工艺控目的产物的工业发酵过程的工艺控制的重要数量依据。制的重要数量依据。现在学习的是第24页，共39页02-11-825 推理六：生物机器的推理（之二）推理六：生物机器的推理（之二）如果推理二、三、四、五和假说一、如果推理二、三、四、五和假说一、二、三成立，对于微生物细胞的增殖二、三成立，对于微生物细胞的增殖（生物机器制造）和目的产物合成（生（生物机器制造）和目的产物合成（生物机器运转）阶段分明，而且不相互覆物机器运转）阶段分明，而且不相互覆盖的发酵生产，两个阶段应区别对待；盖的发酵生产，两个阶段应区别对待；有了分别与增殖阶段和合成阶段配套的有了分别与增殖阶段和合成阶段配套的工艺和设备条件，以及生长过渡技术，工艺和设备条件，以及生长过渡技术，细胞高密度发酵可望成功。细胞高密度发酵可望成功。现在学习的是第25页，共39页02-11-826 推理七：生物机器的推理（之三）推理七：生物机器的推理（之三）对于对于生长过程中合成的产物（能量代生长过程中合成的产物（能量代谢副产物和初级代谢产物）和生长停止后谢副产物和初级代谢产物）和生长停止后的合成的产物（次级代谢产物）而言，它的合成的产物（次级代谢产物）而言，它们的合成代谢动力学是不同的。如果推理们的合成代谢动力学是不同的。如果推理六成立，连续发酵有利于前者的生产，经六成立，连续发酵有利于前者的生产，经过优化的分批发酵有利后者的生产。过优化的分批发酵有利后者的生产。现在学习的是第26页，共39页02-11-827推理八：扩大能量流失的推理推理八：扩大能量流失的推理 如果推理一、二和假说一、三成立，如果推理一、二和假说一、三成立，那么，就有可能借助于菌种改良和培养那么，就有可能借助于菌种改良和培养条件的控制，对细胞的代谢进行有限的条件的控制，对细胞的代谢进行有限的导向，扩大代谢过程中能量的流失，导向，扩大代谢过程中能量的流失，实实现生物降解与细胞增长的分离现生物降解与细胞增长的分离，从而限，从而限制有机废水净化的过程中微生物细胞的制有机废水净化的过程中微生物细胞的增殖。增殖。现在学习的是第27页，共39页02-11-828既要有实验研究，又要有哲学的思辨既要有实验研究，又要有哲学的思辨 以上假说、思路和推理用作研究以上假说、思路和推理用作研究“微生物生物机器微生物生物机器”的工作原理的框的工作原理的框架，从客观事物演化的历程和机理入手，架，从客观事物演化的历程和机理入手，用根据实验数据做出定性判断与定量计用根据实验数据做出定性判断与定量计算相结合的方式对工业发酵进行的系统算相结合的方式对工业发酵进行的系统的研究。在研究思路上，正反两方面并的研究。在研究思路上，正反两方面并重。对理论框架既要有正面的实验证明，重。对理论框架既要有正面的实验证明，又要有批判性的实验反证；既要有生物又要有批判性的实验反证；既要有生物科学的实验研究，又要有哲学的思辨。科学的实验研究，又要有哲学的思辨。现在学习的是第28页，共39页02-11-829发酵工业生产中发酵工业生产中人的主观能动作用的发挥人的主观能动作用的发挥 现在学习的是第29页，共39页02-11-830发酵工程的基本矛盾发酵工程的基本矛盾 在发酵工业中人类只有依靠微生物才在发酵工业中人类只有依靠微生物才能间接地达到目的，这就是所谓发酵工业能间接地达到目的，这就是所谓发酵工业的被动性。为了在工业发酵中争取主动，的被动性。为了在工业发酵中争取主动，必须发挥人的主观能动作用。发酵工程的必须发挥人的主观能动作用。发酵工程的基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物代谢的导向与微生物细胞的生存保障体系代谢的导向与微生物细胞的生存保障体系对这种导向的响应。人的主观能动作用的对这种导向的响应。人的主观能动作用的发挥具体表现在促进矛盾双方从对立走向发挥具体表现在促进矛盾双方从对立走向统一。统一。现在学习的是第30页，共39页02-11-831复杂系统中的代谢流复杂系统中的代谢流 微生物及其所处环境构成特殊的复微生物及其所处环境构成特殊的复杂系统，在这个复杂系统中参与代谢的杂系统，在这个复杂系统中参与代谢的物质在代谢途径中按一定规律流动，形物质在代谢途径中按一定规律流动，形成微生物的代谢流。涉及活细胞生命活成微生物的代谢流。涉及活细胞生命活动的生化途径可称为代谢途径，代谢途动的生化途径可称为代谢途径，代谢途径首尾相接形成代谢网络，碳架物质在径首尾相接形成代谢网络，碳架物质在代谢网络里流动时碳架物质流过的代谢代谢网络里流动时碳架物质流过的代谢途径（包括膜中的载体蛋白和代谢途径途径（包括膜中的载体蛋白和代谢途径中的酶）叫载流途径。中的酶）叫载流途径。现在学习的是第31页，共39页02-11-832生物机器生产运行时的载流途径生物机器生产运行时的载流途径 当微生物细胞以微生物生物机器当微生物细胞以微生物生物机器的的“身份身份”投入生产运行时，碳架物投入生产运行时，碳架物质流从工业原料（细胞外）开始，贯质流从工业原料（细胞外）开始，贯穿细胞，直到目的产物（细胞外）。穿细胞，直到目的产物（细胞外）。这时，碳架物质流过的代谢途径叫做这时，碳架物质流过的代谢途径叫做所研究的这种微生物细胞生产这个目所研究的这种微生物细胞生产这个目的产物的主要载流途径。的产物的主要载流途径。现在学习的是第32页，共39页02-11-833 进入准备进入准备及跨膜步及跨膜步骤骤注注入入途途径径中心代谢途径中心代谢途径发散发散途径途径跨膜步骤跨膜步骤和胞外修和胞外修饰饰理理 想想 载载 流流 途途 径径 的的 五五 段段 式式现在学习的是第33页，共39页02-11-834人贵有自知之明人贵有自知之明 要要靠靠大大自自然然的的恩恩赐赐来来解解决决菌菌种种问问题题显显然然是是不不现现实实的的，因因为为自自然然突突变变率率极极低低，而而且且不不能能定定向向，大大自自然然推推动动的的筛筛选选(经经自自然然竞竞争争而而实实现现的的筛筛选选)与与人人的的主主观观愿愿望望并并无无相相关关性性。为为了了加加快快微微生生物物向向满满足足人人类类需需求求的的方方向向定定向向“进进化化”，就就必必须须主主动动地地去去改改造造微微生生物物。根根据据我我们们的的生生产产意意图图和和出出发发菌菌种种固固有有的的代代谢谢规规律律及及调调节节机机制制制制订订育育种种方方案案，然然后后努努力力去去实实现现。要要加加快快微微生生物物向向人人类类利利益益的的方方向向定定向向“进进化化”，人人类类不不但但必必须须认认识识微微生生物物生生命命活活动动的的规规律律，还还必必须须有有自自知知之明。之明。现在学习的是第34页，共39页02-11-835育种和发酵控制的统筹策略育种和发酵控制的统筹策略 “进、通、节、堵、出进、通、节、堵、出”五字策略。五字策略。进：促进细胞对营养物质的吸收；进：促进细胞对营养物质的吸收；通：通：使来自各个分支的代谢物流能够畅通地流使来自各个分支的代谢物流能够畅通地流向目的产物；向目的产物；节：阻塞与目的产物的形节：阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使代谢物成无关或关系不大的代谢支流，使代谢物流相对集中地流向目的产物；流相对集中地流向目的产物；堵：消除堵：消除或削弱目的产物进一步代谢；或削弱目的产物进一步代谢；出：促进出：促进目的产物向细胞外空间分泌。目的产物向细胞外空间分泌。现在学习的是第35页，共39页02-11-836用于菌种选育和工艺控制的用于菌种选育和工艺控制的“五字策略五字策略”NPP进进出出通通节节堵堵现在学习的是第36页，共39页02-11-837一厢情愿行吗一厢情愿行吗?“五字策略五字策略”强调了代谢物流，强调了代谢物流，淡化了能量支撑和还原力的平衡问题，淡化了能量支撑和还原力的平衡问题，完全是从人的良好愿望出发提出的策完全是从人的良好愿望出发提出的策略，微生物能不能接受呢？略，微生物能不能接受呢？微生物为什么能在一定程度上接微生物为什么能在一定程度上接受人的安排，又不能完全接受人的安受人的安排，又不能完全接受人的安排呢？排呢？现在学习的是第37页，共39页02-11-838微生物的适应性、经济性和代谢刚性微生物的适应性、经济性和代谢刚性 微微生生物物对对环环境境有有一一定定的的适适应应能能力力，对对遗遗传传改改造造有有一一定定的的承承受受能能力力，这这是是由由微微生生物物代代谢谢的的变变动动性性决决定定的的;另另一一方方面面，它它的的这这种种承承受受能能力力和和适适应应能能力力是是有有限限的的，一一旦旦改改造造或或改改变变涉涉及及到到其其代代谢谢的的刚刚性性时时，它它就就以以死死相相拒拒了了。在在这这个个问问题题上上细细胞胞经经济济假假说说的的双双重重含含义义细细胞胞的的经经济济性性和和接接受受改改造造的极限性的极限性得到了体现。得到了体现。现在学习的是第38页，共39页02-11-839人与微生物的对立与统一人与微生物的对立与统一 微生物在求生存的方向上始终是主动的。微生物在求生存的方向上始终是主动的。在微生物生命活动中，微生物细胞生存的保在微生物生命活动中，微生物细胞生存的保障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵工业生产中，人类要利用微生物的生命活动工业生产中，人类要利用微生物的生命活动谋求经济效益。人出于经济利益对微生物代谋求经济效益。人出于经济利益对微生物代谢的导向受到微生物的细胞的生存保障体系谢的导向受到微生物的细胞的生存保障体系的制约（微生物代谢网络的刚性），同时，的制约（微生物代谢网络的刚性），同时，人的经济利益的获得同样需要微生物的细胞人的经济利益的获得同样需要微生物的细胞的生存保障体系的支持（细胞的适应性和经的生存保障体系的支持（细胞的适应性和经济性）。济性）。现在学习的是第39页，共39页