1、2022-8-11张星元：发酵原理1发发 酵酵 原原 理理绪绪 论论2022-8-11张星元：发酵原理2请带着以下问题听课：请带着以下问题听课：1.发酵原理课程的沿革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？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？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？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？怎样认识微生物生物机器？6.知己知彼是主动合作的基础。知己知彼是主动合作的基础。7.发酵原理的研究方兴未艾。发酵原理的研究方兴未艾。2022-8-11张星元：发酵原理3 绪绪 论论 随着生物化学、细胞生物学
2、、应用随着生物化学、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，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学的发酵工程专业正在融入生物工程专业。业。发酵工程作为生物工程的最贴近生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。技术界的广泛重视。1.发酵原理课程的沿革发酵原理课程的沿革2022-8-11张星元：发酵原理4 我校我校发酵工程学科发酵工程学科是我国
3、最早设是我国最早设立发酵工程学科，至今已有立发酵工程学科，至今已有5050年历史。年历史。该发酵工程学科为全国发酵工程专业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；轻工博士后流动站的主要成员单位；是教育部批准建设的是教育部批准建设的3636个个“国家生命国家生命科学与技术人才培养基地科学与技术人才培养基地”之一。之一。1.发酵原理课程的沿革发酵原理课程的沿革2022-8-11张星元：
4、发酵原理5 发酵原理课程发酵原理课程经过三十多年经过三十多年的酝酿，将近八年的建设（从理论建的酝酿，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设），已成为我校生物工程学院创建的生物工程专业建的生物工程专业特色课程特色课程。随着对随着对工业发酵的生物学属性的认识的深入，工业发酵的生物学属性的认识的深入，发酵原理课程在发酵原理课程在生物工程专业课生物工程专业课程体系中的核心地位程体系中的核心地位越来越明显了。越来越明显了。1.发酵原理课程的沿革发酵原理课程的沿革2022-8-11张星元：发酵原理6 发酵原理课程既不同于
5、细胞发酵原理课程既不同于细胞学，又不同于工艺学，它从发酵学，又不同于工艺学，它从发酵工业的现状出发，从生物学的视工业的现状出发，从生物学的视角，角，自成体系地自成体系地展开工业发酵的展开工业发酵的科学道理，科学道理，自然而然自然而然地在基础课、地在基础课、专业基础课和专业课之间专业基础课和专业课之间架起桥架起桥梁梁，从而为专业知识的学习提供，从而为专业知识的学习提供一个一个较高的起点较高的起点。1.发酵原理课程的沿革发酵原理课程的沿革2022-8-11张星元：发酵原理7 发酵原理课程旨在提高相发酵原理课程旨在提高相关专业本科学生的关专业本科学生的科学素养科学素养，特别是生物科学和工程学的素特别
6、是生物科学和工程学的素养，为我国生物工业的腾飞培养，为我国生物工业的腾飞培养能与国际先进水平接轨的、养能与国际先进水平接轨的、有超越潜力有超越潜力的人才。的人才。1.发酵原理课程的沿革发酵原理课程的沿革2022-8-11张星元：发酵原理8 发酵原理课程将在科发酵原理课程将在科学的水平上学的水平上重新审视重新审视发酵发酵工程，从生物科学和工程工程，从生物科学和工程学的角度学的角度系统地讨论发酵系统地讨论发酵工程的核心理论。工程的核心理论。1.发酵原理课程的沿革发酵原理课程的沿革2022-8-11张星元：发酵原理9 微生物是工业发酵的微生物是工业发酵的“灵魂灵魂”。这句话强调微这句话强调微生物在工
7、业发酵中的生物在工业发酵中的关键作关键作用用,以及工业发酵与工业化以及工业发酵与工业化学过程、工业生物化学过程学过程、工业生物化学过程的不同属性。的不同属性。2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？为什么说微生物是工业发酵的灵魂？2022-8-11张星元：发酵原理10 在在工业化学工业化学过程中过程中没有生没有生物活性物质物活性物质参与催化参与催化，所用催，所用催化剂也是无机物。化剂也是无机物。工业生化工业生化过过程属于由程属于由酶催化的体外酶反应酶催化的体外酶反应过程过程，酶具有生物活性。当酶，酶具有生物活性。当酶失活、辅酶耗尽，过程就停止失活、辅酶耗尽，过程就停止了。了。2.为什么说微生物是工
8、业发酵的灵魂？为什么说微生物是工业发酵的灵魂？2022-8-11张星元：发酵原理11 工业发酵过程是由活细胞参与的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生命活动过程，没有微生物活细胞就没有工业发酵。没有工业发酵。微生物活细胞具有生微生物活细胞具有生物能转换、辅酶再生物能转换、辅酶再生、代谢的自动调、代谢的自动调节等机制，这个过程原则上可以进行节等机制，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外累积造成环境极度恶化而影响微生物生存之时。物生存之时。2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂？为什么说微生物
9、是工业发酵的灵魂？2022-8-11张星元：发酵原理12 生命体，包括非细胞生物（生命体，包括非细胞生物（譬譬如病毒）和细胞生物（微生物、植物、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，而这动物）都处于高度有序的状态，而这种种高度有序的状态的建立和维持需要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生物可以直接利用的能量代谢能。代谢能。代谢能从哪里来？只能从其他形式的代谢能从哪里来？只能从其他形式的能量转化而来，不同的细胞生物有不能量转化而来，不同的细胞生物有不同的转化方法，这取决于它们各自的同的转化方法，这取决于它们各自的生存方式。生存方式。3.研究大千世界从何入
10、手？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理13 工业发酵要依靠工业发酵要依靠微生物微生物的的生命活动。生命活动。我们该怎样认识我们该怎样认识微微生物细胞生物细胞呢？微生物细胞与其呢？微生物细胞与其他生物细胞有什么不同的地方他生物细胞有什么不同的地方呢？在工业发酵过程中，人类呢？在工业发酵过程中，人类与微生物细胞发生什么样的关与微生物细胞发生什么样的关系呢？系呢？3.研究大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理14真核细胞原核细胞电镜微微 生生 物物 的的 相相 对对 大大 小小肉眼光学显微镜病毒3.研究大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？
11、2022-8-11张星元：发酵原理15体积小；体积小；种类多；种类多；分布广；分布广；繁殖快；繁殖快；便于培养；便于培养；容易发生变异；容易发生变异；人工培养不受季节、地域的限制人工培养不受季节、地域的限制 独立存在独立存在自主生存自主生存微微 生生 物物 的的 特特 点点3.研究大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理16细胞细胞单细胞蛋单细胞蛋白（白色白（白色食品，蓝食品，蓝色食品）色食品）生物转化生物转化结构复杂的有结构复杂的有机产品（譬如机产品（譬如甾醇的生物转甾醇的生物转化化)细胞的产物细胞的产物酶（如酶（如葡萄糖葡萄糖异构酶异构酶等）等）次级代次级
12、代谢产物谢产物（如抗（如抗生素）生素）初级代初级代谢产物谢产物（如氨（如氨基酸）基酸）能量代能量代谢副产谢副产物（如物（如乙醇）乙醇）中心代中心代谢产物谢产物（如柠（如柠檬酸）檬酸）直接面向环境直接面向环境3.研究大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理17 工业发酵过程是工业发酵过程是微生物群体微生物群体生生命活动的动态过程，这个过程是五命活动的动态过程，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、样性、微生物营养类型的多样性、微生物培养条件
13、的多样性、目的产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。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？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理18 世界真奇妙，生物世界真奇妙，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！微生物世界真奇妙，工业发酵真奇妙！奇妙是客观存在的，奇妙是客观存在的，面对如此奇妙是客面对如此奇妙是客观存在，必须找到研究的出发点观存在，必须找到研究的出发点，才有，才有可能发现世界某一局部运行的规律，然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
14、推向深处。后再一步步地把研究推向深处。发酵原发酵原理的研究要落到实处就必须确定研究的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）出发点（发酵的类群），以及研究的具，以及研究的具体载体（微生物菌种和对应的产物）。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？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理19研究的定位：研究的定位：1.对现状的感性认识，对现状的感性认识，2.对现状的理性认识，对现状的理性认识，3.研究出发点的确定；研究出发点的确定；4.研究的逐步深入，研究的逐步深入，5.事物本质的揭示；事物本质的揭示；6.研究的范围的扩展研究的范围的扩展3.研究
15、大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理20最常见的工业发酵一般符合以下条件：最常见的工业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，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，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单一的目的产物在细胞内生成后被分泌到细胞外。分泌到细胞外。在这门课程里，我们把符合以上在这门课程里，我们把符合以上条件的工业发酵类群叫做条件的工业发酵类群叫做典型的工业典型的工业发酵发酵。对工业发酵的研究就从它开始。对工业发酵的研究就从它开始。3.研究大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？2022
16、-8-11张星元：发酵原理21 这主要是因为这主要是因为化能异养型微生化能异养型微生物的代谢物的代谢与高等生物细胞的代谢有与高等生物细胞的代谢有较多的相似之处，特别是较多的相似之处，特别是从碳元素从碳元素的代谢入手的代谢入手有较好研究基础；有较好研究基础；从排从排出细胞的单一的初级代谢产物的生出细胞的单一的初级代谢产物的生产产入手，不但可以简化代谢网络的入手，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。源到目的产物的计量关系。3.研究大千世界从何入手？研究大千世界从何入手？2022-8-11张星元：发酵原理22 工业发酵过程靠如下三
17、种流动来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，我们提出了以上认识的基础上，我们提出了微生微生物（化能异养型微生物）细胞生命活物（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。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？怎样对抽象的问题进行形象思维？20
18、22-8-11张星元：发酵原理23 微生物生命活动的三个基本假说：微生物生命活动的三个基本假说：代谢能支撑假说代谢能支撑假说：微生物细胞：微生物细胞生命活动的驱动原理（微生物能学）生命活动的驱动原理（微生物能学）代谢网络假说代谢网络假说：代谢网络与代：代谢网络与代谢物流图（微生物第二解剖学）谢物流图（微生物第二解剖学）细胞经济假说细胞经济假说：细胞经济运行：细胞经济运行与生存保障原理（细胞经济学）。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？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理24 代谢能支撑假设挑明了微生物代谢能支撑假设挑明了微生物生命活动的前
19、提，即微生物细胞生命活动的前提，即微生物细胞代代谢能的持续供应问题谢能的持续供应问题；代谢网络假；代谢网络假设梳理了微生物生命活动的内容，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、物质具体化了微生物细胞的能量、物质的转化关系的转化关系；细胞经济假设揭示微；细胞经济假设揭示微生物生命活动的经济管理原则，这生物生命活动的经济管理原则，这些原则是些原则是人和微生物合作成功的基人和微生物合作成功的基础。础。4.怎样对抽象的问题进行形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理25ATPATP酶呼吸链4.怎样对抽象的问题进行形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维
20、？2022-8-11张星元：发酵原理264.怎样对抽象的问题进行形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理274.怎样对抽象的问题进行形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理28分泌能量代谢的副产分泌能量代谢的副产物物 （乙醇、乳酸等）（乙醇、乳酸等）分泌生物大分子的前体分泌生物大分子的前体（氨基酸、核酸等）（氨基酸、核酸等）分泌生物大分子（酶分泌生物大分子（酶、微生物多糖等）、微生物多糖等）碳架碳架ATP结构单位结构单位4.怎样对抽象的怎样对抽象的问题进行形象思问题进行形象思维？维？2022-8-11张星元：发酵原理29 从对
21、工业发酵的现状的分析和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，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。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，找建立一个从特殊到一般的认识，找到工业发酵的普遍规律。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？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理30 运用这三个基本假设来分析运用这三个基本假设来分析典型的工业发酵，提出了：典型的工业发酵，提出了：1.为工业生产服
22、务的为工业生产服务的若干推理若干推理2.工业发酵的工业发酵的微生物细胞机器的微生物细胞机器的 工作模式工作模式3.工业微生物代谢的工业微生物代谢的“五段式五段式”4.工业发酵的工业发酵的“五字策略五字策略”。4.怎样对抽象的问题进行形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理31微生物细胞是发酵工厂最重要的机器微生物细胞是发酵工厂最重要的机器2022-8-11张星元：发酵原理32微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation4.怎样对抽象的问题进行
23、形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理33NPP进进出出通通节节堵堵菌种选育和工艺控制的菌种选育和工艺控制的“五字策略五字策略”4.怎样对抽象的问题进行形象思维？怎样对抽象的问题进行形象思维？2022-8-11张星元：发酵原理34 现代发酵工程依靠微生物来完成发现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胞就是工业发酵生产线上特殊机器细胞机器细胞机器。细胞机器与普通意义上的机。细胞机器与普通意义上的机器不同，
24、器不同，细胞机器必须细胞机器必须由代谢能直接驱由代谢能直接驱动。动。在发酵工厂的生产线上，微生物细在发酵工厂的生产线上，微生物细胞机器必须完成胞机器必须完成“在线制造在线制造”和和“生生产运行产运行”的双重任务。的双重任务。5.怎样认识微生物生物机器？怎样认识微生物生物机器？2022-8-11张星元：发酵原理35 “微生物细胞微生物细胞”是生物学的概是生物学的概念；念；“微生物细胞机器微生物细胞机器”是工程学是工程学的概念。的概念。菌种微生物细胞是对应的菌种微生物细胞是对应的发酵产物的细胞机器，因此是发酵产物的细胞机器，因此是有工有工业生产个性业生产个性的微生物细胞。微生物的微生物细胞。微生物
25、细胞机器是从天然的微生物细胞改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造成的，因此天然的微生物具有成为微生物细胞机器的为微生物细胞机器的潜在能力潜在能力。5.怎样认识微生物生物机器？怎样认识微生物生物机器？2022-8-11张星元：发酵原理36 微生物细胞在发酵工业上微生物细胞在发酵工业上以细胞机器的身份出现时，必以细胞机器的身份出现时，必须体现须体现人的意志人的意志。然而，。然而，“微生物细胞机器微生物细胞机器”的微生的微生物属性决定了它必须按物属性决定了它必须按微生物微生物细胞固有的经济管理原则细胞固有的经济管理原则运行运行。如果两者如果两者不一致怎么办？不一致怎么办？
26、5.怎样认识微生物生物机器？怎样认识微生物生物机器？2022-8-11张星元：发酵原理37 人和微生物同是地球人和微生物同是地球上的居民，在理论上处于上的居民，在理论上处于平等的地位，微生物没有平等的地位，微生物没有为人类服务的义务。人贵为人类服务的义务。人贵有自知之明，因为人有思有自知之明，因为人有思想。想。6.知己知彼是主动合作的基础。知己知彼是主动合作的基础。2022-8-11张星元：发酵原理38 千千万万年的物竞天择早已决定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，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人控制下的微生物细胞机器与微生物自身
27、的价值取向不一定一致，自身的价值取向不一定一致，为了引为了引导微生物为我们服务，人必须导微生物为我们服务，人必须发挥主发挥主观能动作用观能动作用，遵循并灵活应用这些原，遵循并灵活应用这些原则，则，正确处理工业发酵生产中人与微正确处理工业发酵生产中人与微生物的对立统一关系，促成微生物与生物的对立统一关系，促成微生物与人的合作。人的合作。6.知己知彼是主动合作的基础。知己知彼是主动合作的基础。2022-8-11张星元：发酵原理39 发酵原理是工业发酵的生物学原理发酵原理是工业发酵的生物学原理的简称。的简称。它研究工业微生物在生长、繁它研究工业微生物在生长、繁殖与发酵过程中的殖与发酵过程中的正常代谢
28、与异常代谢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，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它自身的不断完善而发挥不可替代的愈来愈重要的作用。来愈重要的作用。7.发酵原理的研究方兴未艾。发酵原理的研究方兴未艾。2022-8-11张星元：发酵原理40 发酵原理的研究刚刚开发酵原理的研究刚刚开
29、始，以全新的思路研究发酵始，以全新的思路研究发酵科学和发酵工程，前程远大。科学和发酵工程，前程远大。发酵原理的研究有待于深入、发酵原理的研究有待于深入、完善和扩展。需扩展的领域完善和扩展。需扩展的领域是显而易见的，主要是以下是显而易见的，主要是以下几方面：几方面：7.发酵原理的研究方兴未艾。发酵原理的研究方兴未艾。2022-8-11张星元：发酵原理411.微生物微生物营养类型营养类型的扩展的扩展2.不同不同元素元素的代谢的扩展的代谢的扩展3.不同不同代谢层面代谢层面的扩展的扩展4.原料原料与目的与目的产物产物的扩展的扩展5.原料群原料群和和产物群产物群的扩展的扩展7.发酵原理的研究方兴未艾。发
30、酵原理的研究方兴未艾。2022-8-11张星元：发酵原理42 2022-8-11张星元：发酵原理43复复 习习 题题1.试述生命的含义。试述生命的含义。2.与其他细胞生物相比较微生物的生命与其他细胞生物相比较微生物的生命 活动有何特点？活动有何特点？3.试述工业发酵的范畴。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？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？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？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？如何认识研究发酵原理任重而道远？
