发酵原理课件.ppt
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1、发酵学基本理论框架发酵学基本理论框架第五章第五章本章提示:本章提示:1.1.对于学科来说,其基本理论的建立往对于学科来说,其基本理论的建立往往是其走向成熟的标志吗?能不能说发往是其走向成熟的标志吗?能不能说发酵原理课程是发酵学科向生物工程学科酵原理课程是发酵学科向生物工程学科系统升级的关键课程系统升级的关键课程?2.2.发酵工程的基本理论的组成。发酵工程的基本理论的组成。3.3.试述自然规律(试述自然规律(the order of the order of naturenature)的含义,并比较自然规律与假说的含义,并比较自然规律与假说这两个概念。这两个概念。4.4.什么叫创新?什么叫创新思
2、路?什么叫创新?什么叫创新思路?5.5.试述真理的含义,并比较相对真理和试述真理的含义,并比较相对真理和绝对真理这两个概念。绝对真理这两个概念。2004.82发酵原理 对于学科来说,其基对于学科来说,其基本理论的建立,往往是其本理论的建立,往往是其走向成熟的标志。走向成熟的标志。2004.83发酵原理 上个世纪下半叶,有关发酵工程的科学研上个世纪下半叶,有关发酵工程的科学研究已经显示了发酵学科与其相关学科的相互交究已经显示了发酵学科与其相关学科的相互交叉和融合;叉和融合;21世纪这种交叉和融合将更加突出。世纪这种交叉和融合将更加突出。发酵科学研究中,生物化学、分子生物学、微发酵科学研究中,生物
3、化学、分子生物学、微生物代谢生理学、细胞学等生物学分支学科的生物代谢生理学、细胞学等生物学分支学科的相互交叉和融合,发酵学、化学、生物学的相相互交叉和融合,发酵学、化学、生物学的相互交叉和融合,以及自然科学、社会科学和哲互交叉和融合,以及自然科学、社会科学和哲学的相互交叉和融合,正在推动发酵科学理论学的相互交叉和融合,正在推动发酵科学理论和方法的发展。这样的相互交叉和融合催生了和方法的发展。这样的相互交叉和融合催生了发酵学基本理论框架,并发酵学基本理论框架,并正在促进发酵学科的正在促进发酵学科的成熟和发酵学的形成。成熟和发酵学的形成。2004.84发酵原理本章将要对发酵学基本理论框本章将要对发
4、酵学基本理论框架作一个归纳性的小结,目的不但架作一个归纳性的小结,目的不但在于使已学过的知识系统化,更重在于使已学过的知识系统化,更重要的是让您沿着研究者走过的思想要的是让您沿着研究者走过的思想之路走一遍,用自己的头脑好好想之路走一遍,用自己的头脑好好想一想,该怎样去发现发酵科学的规一想,该怎样去发现发酵科学的规律,该怎样去建立发酵科学自成系律,该怎样去建立发酵科学自成系统的理论。统的理论。2004.85发酵原理第一节第一节科学研究与科学方法科学研究与科学方法 另有课前讲座科学另有课前讲座科学研究和科学方法,紧接研究和科学方法,紧接在绪论后面讲。在绪论后面讲。2004.87发酵原理第二节第二节
5、发酵工程的基本理论发酵工程的基本理论发酵工程的基本理论由自然规律、应发酵工程的基本理论由自然规律、应用性预测和创新思路等部分组成,目前已用性预测和创新思路等部分组成,目前已形成以下框架结构:形成以下框架结构:自然规律:微生物生命活动的自然规律:微生物生命活动的三三个基本个基本假说(分析自然现象,发现自然规律);假说(分析自然现象,发现自然规律);应用性预测:工业发酵的应用性预测:工业发酵的八八个预测(出个预测(出于人类功利,预测未来生产);于人类功利,预测未来生产);创新思路:细胞机器的工作模式;微生创新思路:细胞机器的工作模式;微生物代谢的五段式;工业发酵的五字策略。物代谢的五段式;工业发酵
6、的五字策略。2004.89发酵原理5.2.1自然规律:自然规律:微生物生命活动的微生物生命活动的三三个基本假说个基本假说5.2.2应用性推理:应用性推理:工业发酵的八个预测工业发酵的八个预测5.2.3创新思路创新思路 2004.810发酵原理5.2.1自然规律:微生物生命自然规律:微生物生命活动的活动的三三个基本假说个基本假说 2004.811发酵原理在上个世纪在上个世纪70年代形成的现代年代形成的现代生物学关于物质流动、能量流动、生物学关于物质流动、能量流动、以及信息流动这以及信息流动这三三种流动的观点的种流动的观点的启发下,跨出了认真研究工业发酵启发下,跨出了认真研究工业发酵复杂系统的第一
7、步。复杂系统的第一步。2004.812发酵原理 工业发酵是微生物群体活动的工业发酵是微生物群体活动的动态过程。此过程靠如下三种流动动态过程。此过程靠如下三种流动来维系,即伴随能量形式的转换而来维系,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同水平上的代谢调节而发生的信息流动。流动。2004.813发酵原理关于微生物生命活动的关于微生物生命活动的三三个基个基本假说,是在分析自然现象(微生本假说,是在分析自然现象(微生物的初级代谢)的基础上,发现的物的初级代谢)的基础上
8、,发现的关于微生物初级代谢的自然规律。关于微生物初级代谢的自然规律。因为这三个基本假说以工业发酵为因为这三个基本假说以工业发酵为切入点,在工业发酵领域应用,所切入点,在工业发酵领域应用,所以把它们称为发酵学假说。以把它们称为发酵学假说。2004.814发酵原理5.2.1.1发酵学第一假说发酵学第一假说代谢能支撑假代谢能支撑假说说微生物是工业发酵的灵魂,没有微生微生物是工业发酵的灵魂,没有微生物就没有工业发酵;微生物细胞的生命活物就没有工业发酵;微生物细胞的生命活动必须由代谢能来支撑(持续地供应代谢动必须由代谢能来支撑(持续地供应代谢能),工业发酵必须由活的微生物细胞来能),工业发酵必须由活的微
9、生物细胞来支撑。因此,代谢能支撑假说确定了工业支撑。因此,代谢能支撑假说确定了工业发酵的生物学属性。发酵的生物学属性。2004.815发酵原理代谢能支撑假说:代谢能支撑假说:能直接推动生命活动(做细胞能直接推动生命活动(做细胞功)的能量形式叫做代谢能。微生功)的能量形式叫做代谢能。微生物细胞依靠其自备的能量转换机构,物细胞依靠其自备的能量转换机构,把化学能或光能持续地转化成代谢把化学能或光能持续地转化成代谢能,并直接用来支撑其自身的生命能,并直接用来支撑其自身的生命活动。活动。2004.816发酵原理 因为微生物细胞独立存在自主生存因为微生物细胞独立存在自主生存,微生物细胞的生命活动需要的代谢
10、,微生物细胞的生命活动需要的代谢能要靠微生物细胞自己解决,其解决能要靠微生物细胞自己解决,其解决的办法就是用它自备的能量转换机构的办法就是用它自备的能量转换机构把其他形式的能量转化成代谢能。工把其他形式的能量转化成代谢能。工业发酵的过程是依靠微生物细胞生命业发酵的过程是依靠微生物细胞生命活动获得目的产物的过程,从根本上活动获得目的产物的过程,从根本上区别于化学合成工业和生化工业。区别于化学合成工业和生化工业。2004.817发酵原理代谢能支撑假说提示:代谢能支撑假说提示:工业发酵成功的工业发酵成功的底线是要有微生物生底线是要有微生物生命活动。命活动。2004.818发酵原理讨论要点讨论要点什么
11、是什么是“代谢能代谢能”?什么是什么是“细胞功细胞功”?什么是什么是“自备的能量转换机构自备的能量转换机构”?支撑的含义是什么?支撑的含义是什么?2004.819发酵原理5.2.1.2发酵学第二假说发酵学第二假说代谢网络假代谢网络假说说代谢网络假说描述了代谢网络的存代谢网络假说描述了代谢网络的存在方式和代谢的双重功能,对碳架物质在方式和代谢的双重功能,对碳架物质在微生物细胞内的有序流动的现象做出在微生物细胞内的有序流动的现象做出了解释。了解释。2004.820发酵原理代谢网络假说:代谢网络假说:代谢途径与输送系统在蛋白质水代谢途径与输送系统在蛋白质水平上整合、在辅因子水平上协调而形平上整合、在
12、辅因子水平上协调而形成的横跨微生物活细胞内外的代谢网成的横跨微生物活细胞内外的代谢网络,是可调节的、无尺度的网络,代络,是可调节的、无尺度的网络,代谢网络作为一个整体来承担微生物细谢网络作为一个整体来承担微生物细胞的物质代谢和能量代谢。胞的物质代谢和能量代谢。2004.821发酵原理由生化反应网络和跨膜输送系统组由生化反应网络和跨膜输送系统组成的代谢网络既没有绝对的起点,也没成的代谢网络既没有绝对的起点,也没有绝对的终点,可以认为有绝对的终点,可以认为代谢网络是类代谢网络是类似于互联网的无尺度网络似于互联网的无尺度网络。对于工业发。对于工业发酵来说,代谢网络假设把代谢形象化为酵来说,代谢网络假
13、设把代谢形象化为一个虚拟的网络一个虚拟的网络新原料和新产品开新原料和新产品开发的蓝图。发的蓝图。2004.822发酵原理代谢网络假说提示:代谢网络假说提示:工业发酵是可以操作的,工业发酵是可以操作的,开拓新产品和新原料是有理论开拓新产品和新原料是有理论根据的。根据的。2004.823发酵原理讨论讨论要点:要点:什么是代谢网络?它有什么特点?什么是代谢网络?它有什么特点?为什么代谢网络是一个整体?为什么代谢网络是一个整体?代谢网络承担什么任务?代谢网络承担什么任务?明确概念:代谢途径,载流途径、明确概念:代谢途径,载流途径、载流路径、网络板块、亚网络。载流路径、网络板块、亚网络。2004.824
14、发酵原理5.2.1.3发酵学第三假说发酵学第三假说细胞经济假细胞经济假说说细胞经济假说阐述了微生物细胞为细胞经济假说阐述了微生物细胞为了生存和竞争而进行自身调整的保障机了生存和竞争而进行自身调整的保障机制。微生物是自然界长期进化的产物,制。微生物是自然界长期进化的产物,它之所以能生存至今,自然有它的独特它之所以能生存至今,自然有它的独特的优越性。在我们对微生物改造之前,的优越性。在我们对微生物改造之前,它们自身已经形成了完整的细胞经济体它们自身已经形成了完整的细胞经济体系。系。2004.825发酵原理细胞经济假说:细胞经济假说:微生物细胞是个远离平衡状态的微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开
15、放体系,是在物竞天择的不平衡的开放体系,是在物竞天择的基础上形成的细胞经济体系。细胞经基础上形成的细胞经济体系。细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系,济体系是微生物细胞生存的保障体系,它为细胞的适应性、经济性和代谢的它为细胞的适应性、经济性和代谢的持续性提供保障。持续性提供保障。2004.826发酵原理细胞经济假说是建立在代谢能支细胞经济假说是建立在代谢能支撑假说和代谢网络假说基础上,又是撑假说和代谢网络假说基础上,又是为代谢能支撑假说和代谢网络假说服为代谢能支撑假说和代谢网络假说服务的。细胞经济假说为代谢能的开支、务的。细胞经济假说为代谢能的开支、代谢网络中各种代谢物库的大小,以代谢网络中
16、各种代谢物库的大小,以及代谢流中碳架物质的流量大小和分及代谢流中碳架物质的流量大小和分支处的流量分配提供了解释的依据。支处的流量分配提供了解释的依据。2004.827发酵原理细胞经济假说提示:细胞经济假说提示:人的主观能动性的发挥人的主观能动性的发挥是建立在对微生物代谢的充是建立在对微生物代谢的充分了解的基础之上的。分了解的基础之上的。2004.828发酵原理讨论要点:讨论要点:什么是细胞经济体系?什么是细胞经济体系?为什么说细胞经济体系是微生物为什么说细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系?细胞生存的保障体系?为什么说细胞经济运行状况可以为什么说细胞经济运行状况可以改变,管理原则不会改变?改
17、变,管理原则不会改变?2004.829发酵原理5.2.1.4基本假说之间的关系基本假说之间的关系微生物活细胞是远离平衡状态的、微生物活细胞是远离平衡状态的、不平衡的开放体系,又是个实现能量不平衡的开放体系,又是个实现能量形式转换和支配有限资源的经济实体,形式转换和支配有限资源的经济实体,它的生命过程就是在代谢能支撑下的它的生命过程就是在代谢能支撑下的经代谢网络进行能量代谢和物质代谢经代谢网络进行能量代谢和物质代谢的过程,即细胞的经济运行过程。的过程,即细胞的经济运行过程。2004.830发酵原理微生物生命活动的第一假设反微生物生命活动的第一假设反映微生物生命活动的前提(代谢能映微生物生命活动的
18、前提(代谢能的持续供应),第二假设体现微生的持续供应),第二假设体现微生物生命活动的内容(能量、物质的物生命活动的内容(能量、物质的转化关系),第三假设揭示微生物转化关系),第三假设揭示微生物生命活动的法则(人和微生物合作生命活动的法则(人和微生物合作的切入点)。的切入点)。2004.831发酵原理 三个假说是相互联系的有机整体,三个假说是相互联系的有机整体,其中物质流是基础,能量是实现这一其中物质流是基础,能量是实现这一流动的驱动力,而信息则是使物质和流动的驱动力,而信息则是使物质和能量向着预定的方向流动的总指挥棒。能量向着预定的方向流动的总指挥棒。三个假说分别从能量,物质和信息三三个假说分
19、别从能量,物质和信息三个角度支撑发酵工业的个角度支撑发酵工业的“细胞机器细胞机器”的正常运转。的正常运转。2004.832发酵原理 微生物生命活动的三个基本假设从三个微生物生命活动的三个基本假设从三个不同的角度来分析同一个问题(微生物的生不同的角度来分析同一个问题(微生物的生命活动的问题),并体现了三者的相互联系命活动的问题),并体现了三者的相互联系和相互协调。第一假设从生物能学和代谢能和相互协调。第一假设从生物能学和代谢能对生命活动的支撑的角度认定微生物细胞是对生命活动的支撑的角度认定微生物细胞是代谢能转换器,第二假设从生化学和代谢的代谢能转换器,第二假设从生化学和代谢的角度认定微生物细胞是
20、生化反应器和生物材角度认定微生物细胞是生化反应器和生物材料加工器,第三假设从生物信息学和代谢调料加工器,第三假设从生物信息学和代谢调节的角度认定微生物细胞是生物信息编码器,节的角度认定微生物细胞是生物信息编码器,信息传感、传递和处理系统。信息传感、传递和处理系统。2004.833发酵原理综上所述,能量代谢需借综上所述,能量代谢需借助代谢网络来实现,代谢网络助代谢网络来实现,代谢网络的运行需要代谢能的支撑。能的运行需要代谢能的支撑。能量代谢和物质代谢相互交叉,量代谢和物质代谢相互交叉,并且都受细胞经济规律的规范并且都受细胞经济规律的规范和制约。和制约。2004.834发酵原理5.2.2应用性推理
21、:工业应用性推理:工业发酵的发酵的八八个预测个预测2004.835发酵原理现代发酵工程建立在对代谢能支撑、现代发酵工程建立在对代谢能支撑、代谢网络和细胞经济等三个基本假设的代谢网络和细胞经济等三个基本假设的深刻研究的基础上。代谢网络中代谢流深刻研究的基础上。代谢网络中代谢流的流动依赖于代谢能支撑,受制于细胞的流动依赖于代谢能支撑,受制于细胞经济规律;而对代谢能支撑和细胞经济经济规律;而对代谢能支撑和细胞经济的研究,又必须借助于它们的载体的研究,又必须借助于它们的载体代谢网络。代谢网络。2004.836发酵原理代谢能支撑假设揭示了工业发酵的原动代谢能支撑假设揭示了工业发酵的原动力,揭示了化能异养
22、型微生物细胞能量代谢力,揭示了化能异养型微生物细胞能量代谢的氧化还原本质;代谢网络假设把代谢途径的氧化还原本质;代谢网络假设把代谢途径和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体,和跨膜载体系统的有序组合作为一个整体,称为代谢网络,以有利于从宏观上把握微生称为代谢网络,以有利于从宏观上把握微生物的代谢,为工业发酵中原料的利用和产物物的代谢,为工业发酵中原料的利用和产物的合成提供了分析的依据和实际操作的指导;的合成提供了分析的依据和实际操作的指导;细胞经济的概念的提出,为正确处理工业发细胞经济的概念的提出,为正确处理工业发酵中人的主观愿望与微生物生命活动的客观酵中人的主观愿望与微生物生命活动的客观规律的
23、对立统一关系提供了理论依据。规律的对立统一关系提供了理论依据。2004.837发酵原理按本章按本章5.2.1介绍,假说是建立在观介绍,假说是建立在观察和其他知识源泉的基础上的,并且可察和其他知识源泉的基础上的,并且可以预言在特定的条件下某类事件将怎样以预言在特定的条件下某类事件将怎样发生。我们要通过检验假说的预测能力,发生。我们要通过检验假说的预测能力,审查该假说是否正确。如果假说是不正审查该假说是否正确。如果假说是不正确的,就把它否定掉,并必须构建新的确的,就把它否定掉,并必须构建新的假说。因此我们从这假说。因此我们从这三三个假说做出了若个假说做出了若干个预测。干个预测。2004.838发酵
24、原理探索自然规律,目的在于应用,首探索自然规律,目的在于应用,首先预测未来的工业发酵。在三个假说的先预测未来的工业发酵。在三个假说的基础上,主要从典型的工业发酵(本章基础上,主要从典型的工业发酵(本章5.2.3)着手,对未来工业发酵做出的预)着手,对未来工业发酵做出的预测,从测,从预测的结果检验假说是否不正确,预测的结果检验假说是否不正确,是否得到工业生产实践的支持。在探索是否得到工业生产实践的支持。在探索真理的过程中,这一步是关键性的一步。真理的过程中,这一步是关键性的一步。因此这因此这八个预测还八个预测还要经受进一步的观察要经受进一步的观察和实验的检验。和实验的检验。2004.839发酵原
25、理另外,另外,出于人类功利,也有必出于人类功利,也有必要对未来发酵工业生产做出预测。要对未来发酵工业生产做出预测。运用演绎推理的思维方法,根据以运用演绎推理的思维方法,根据以上关于微生物初级代谢的上关于微生物初级代谢的三三个基本个基本假说做出应用性预测,以便于调动假说做出应用性预测,以便于调动微生物为工业生产服务。微生物为工业生产服务。以下列出发酵工业生产的若干以下列出发酵工业生产的若干应用性预测:应用性预测:2004.840发酵原理【预测【预测1】物质能量转化的预测】物质能量转化的预测如果假说如果假说1、2成立,微生物细胞成立,微生物细胞可以经物质代谢和能量代谢,将其从可以经物质代谢和能量代
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