发酵工程理论框架和原理课程的创设(武汉,20028)

发酵工程理论框架和

发酵原理课程的创建张星元biozhang@163.com江南大学生物工程学院，无锡214036

2002.8.171武汉生物工程教学研讨会我国大学工科的发酵工程学科脱胎于农学院的农产加工学科。1952年全国高等学校院系调整时，农学院农业化学系的农产品加工专业曾经包含一个叫做发酵的专业方向；农产品加工专业从农学院划归工学院的食品工业系，这才有了工科的发酵工程专业方向和随后建成的发酵工程学科。从1952年算起，我国发酵学科已有50年历史了。2002.8.172武汉生物工程教学研讨会教育部1998年颁布的高等学校本科专业目录把发酵工程划归生物工程类，肯定了发酵工程的生物学属性。

作为生物工程的最接近生产实践的组成部分，发酵工程正在从工业向农、牧、医、药、环保和军事等各生物学相关领域延伸，受到社会的广泛关注。2002.8.173武汉生物工程教学研讨会汇报交流的内容：

1.发酵工程的理论创新

2.发酵原理课程的建设

3.以多样化的教学方法实现

教学相长2002.8.174武汉生物工程教学研讨会发酵工程的理论创新

“微生物生物机器”

“微生物生物机器”的双重任务

“微生物生物机器”的工作原理

发酵工程概念的外延

2002.8.175武汉生物工程教学研讨会天然存在的微生物物种是微生物在大自然中物竞天择的阶段性的进化成果，它们的生命活动的规律是不以人的主观意志为转移的。天然存在的亿万微生物物种的生命活动过程——不论是造福于人类或危害人类的——都是它们按自身的生命活动规律进行生存竞争的代谢过程。2002.8.176武汉生物工程教学研讨会

微生物具有造福于人类的巨大潜力，人类利用微生物可以实现更多美好的理想。然而，在发酵工业生产中人类不能跳过微生物生命活动这个关键环节而得到目的产物，没有微生物就没有工业发酵。在这个意义上，人在工业发酵生产中处于被动的地位。因此，对于工业微生物学家和发酵工程师来说，在工业发酵中如何争取主动始终是一个挑战性的问题。2002.8.177武汉生物工程教学研讨会从研究微生物的生命活动规律入手，从生物学的角度重新审视了发酵工程，形成以下关于现代发酵工程新思路：2002.8.178武汉生物工程教学研讨会（1）“微生物生物机器”：

现代发酵工程依靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产线上的不可缺少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物活细胞就是工业发酵生产线上不可缺少的“微生物生物机器”。

2002.8.179武汉生物工程教学研讨会（2）“微生物生物机器”的双重任务：

微生物生物机器与普通意义上的机器不同，微生物生物机器必须由生物能直接驱动。在典型的工业发酵的生产线上，微生物必须完成“微生物生物机器”的“在线制造”和“生产运行”的双重任务。“在线制造”和“生产运行”应在不同的培养条件下进行。“在线制造”阶段要控制“机器”（微生物活细胞）的数量和质量；“生产运行”阶段不但要保证“机器”数量的基本稳定，还要将细胞的代谢尽量维持在适宜于目的产物生产的状态下。2002.8.1710武汉生物工程教学研讨会（3）“微生物生物机器”的工作原理：

“微生物生物机器”按其自身固有的规律运行，为了引导微生物为我们服务，必须深入研究微生物生物机器的工作原理。首先要建立“微生物生物机器”的工作模型；然后有计划地进行关于“微生物生物机器”实验研究，通过实验研究和哲学思辨，逐步揭示“微生物生物机器”工作原理，包括“微生物生物机器”的零件制造、整机装配和维护保养原理，以及“微生物生物机器”的运行原理，从而创建新的发酵工程基础理论——发酵工程的生物学理论。2002.8.1711武汉生物工程教学研讨会（4）发酵工程概念的外延：

发酵工程具有的鲜明的生物学属性。发酵工程向生物学靠拢，以及发酵工程概念的外延，酝酿着发酵工程的革命性的飞跃。发酵学科不仅要为轻工有关领域培养人才，同时要为农、牧、医、药、环保和军事等各生物学相关领域培养人才；发酵学科的基本理论将成为生物学相关学科的学科交叉的基本理论之一。

2002.8.1712武汉生物工程教学研讨会建立创新思路的理论基础

反映微生物生命运动客观规律的三个基本观点体现工业发酵生物学属性的七个应用性推理2002.8.1713武汉生物工程教学研讨会关于微生物生命活动的3个基本观点

观点1:生物能支撑的观点

生物能（bio-energy）特指可供细胞直接利用的能量形式。微生物细胞的生长和维持，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生物能来支撑。

观点2:代谢网络的观点

微生物细胞是个远离平衡状态的、不平衡的开放体系。微生物细胞的物质代谢和能量代谢，依赖于代谢网络(metabolicnetwork)来实现。代谢网络横跨细胞内外，没有绝对的起点，也没有绝对的终点。观点3:细胞经济的观点在物竞天择的基础上形成的微生物代谢体系，是保障微生物细胞生存的细胞经济体系（celleconomy）。细胞经济体系运行的经济调度，和细胞对环境变化的积极响应，最终都是由细胞的遗传物质规定的。

2002.8.1714武汉生物工程教学研讨会体现工业发酵生物学属性的八个应用性推理

推理一：物质、能量转化的推理

推理二：细胞资产流失的推理

推理三：原料与产物的推理

推理四：生物机器的推理（之一）

推理五：新的过程参数的推理

推理六：生物机器的推理（之二）

推理七：生物机器的推理（之三）

推理八：扩大能量流失的推理2002.8.1715武汉生物工程教学研讨会2.发酵原理课程的建设

教育部已把发酵工程划归生物工程类《发酵原理》课程建设在性质上属于理论和实践相结合的创新工作发酵学科成熟的一个重要标志建设发酵原理课程的来龙去脉对课程内容的一致认识自编的《发酵原理》教材自制的《发酵原理电子讲义》《发酵原理》被列为“十五”国家级规划教材2002.8.1716武汉生物工程教学研讨会

发酵生产历史悠久，原始的手工作坊式的发酵生产凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

2002.8.1717武汉生物工程教学研讨会

然而，随后的发酵生产实践反复证明发酵的工业过程是一个时变的（随着时间变化的）、非线性的、多变量输入和输出的动态过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业的问题，往往难以收到预期的效果。

2002.8.1718武汉生物工程教学研讨会

目前，国内外有关发酵工程和生物制药的科技书籍和国内的大学教材往往沿用以往“菌种（催化剂）——发酵（化学反应）——提炼（化学分离）”的体例描述发酵工业生产，这种从化工厂的工艺操作规程衍生出来的体例难于体现生物工程（发酵工程）的生物学属性。

2002.8.1719武汉生物工程教学研讨会

只有通过实验研究和哲学思辨，对发酵工程的生物学属性有了初步的认识，才有可能进而建立发酵工程的生物学理论，才能开好发酵原理课程。因此，《发酵原理》课程建设在性质上属于理论和实践相结合的创新工作。2002.8.1720武汉生物工程教学研讨会

发酵工程作为生物科学的一个工程学分支有它自己独有的运行规律，这些规律归属于生物学范畴，因此发酵工程应归属于生物工程，发酵工程的根本原理就是其生物学原理。发酵工程的生物学原理就是发酵原理。

2002.8.1721武汉生物工程教学研讨会

我国发酵工程学科发展到今天，应该有它自己的核心理论课程，而理论课程的开出在某种意义上也将成为发酵学科成熟的一个重要标志。2002.8.1722武汉生物工程教学研讨会

在两门研究生课程教学的基础上筹备本科《发酵原理》课程的教学。经过对两届本科生的试讲和教授会议审定，1997年秋正式向本科生开设《发酵原理》课程，并在香港回归前夕，内部出版了《发酵原理》教材。

2002.8.1723武汉生物工程教学研讨会经过五年来的教学实践及每学期举行的研讨会的辩论和讨论，以及哲学的思辨，工业发酵的生物学理论正在逐步完善之中,目前已形成论述微生物生命运动的客观规律的三个基本观点和针对发酵工业的八个应用性推理。2002.8.1724武汉生物工程教学研讨会

对发酵原理的中心内容三个基本观点已取得如下一致的认识：生物能支撑的观点是工业发酵运行的立足点，它规定了工业发酵的生物学属性和微生物在发酵工程的中心地位；代谢网络的观点表述了工业发酵的内涵和可能的外延，它给出了发酵工业新产品和新原料开发的大致范围，并揭示了发酵工程的潜力；细胞经济的观点是理解发酵工程的基本矛盾和发酵工业生产中人与微生物的合作关系的理论基础。2002.8.1725武汉生物工程教学研讨会《发酵原理》课程以发酵工业技术学为起点，抓住物质代谢和能量代谢这两条主线动态地描述工业发酵中微生物生命活动的过程和原理，把发酵工程技术上升到发酵科学的高度。

2002.8.1726武汉生物工程教学研讨会

目前，《发酵原理》已发展成面向本科生、研究生的发酵原理系列课程，学生层次有本科生、硕士生、博士生等。现已被列为普通高等教育“十五”国家级规划教材。2002.8.1727武汉生物工程教学研讨会

《发酵原理电子讲义》是一部自制的多层次学生通用的电子教材。

它以PowerPoint为主辅之以图画和动画，PowerPoint的幻灯片以讲义的形式印在书上，学生在课堂上不必忙于抄写，可以集中精力听讲。多媒体教学信息量大，可以省下时间来进行师生堂上对话，以加深理解。这本电子讲义投入使用以来博士研究生自发选课，环保方向的研究生（含博士生）、食品学院的研究生（含博士生）也主动增选此课程2002.8.1728武汉生物工程教学研讨会3.以多样化的教学方法实现教学相长

《发酵原理》教学的价值教学应该是个互动的过程我们的具体做法营造有利于原始创新的文化环境2002.8.1729武汉生物工程教学研讨会21世纪生物工业需要什么样的人才?

如何培养世界一流的生物工程人才？

如何设置发酵工程专业课程？

2002.8.1730武汉生物工程教学研讨会

《发酵原理》教学的价值主要体现在：引导专攻生物工程和生命科学的学生对以前所学到的相对零星的知识进行梳理，并应用经过梳理的知识来建立对发酵科学的理解，从而激发创造精神，以及求知、实践的欲望。学生需要有丰富的知识，更需要对科学的性质（特别是自己所学的专业的科学性质）的正确理解。对高层次的学生来讲更有必要通晓科学家的思想方法和科学实践活动。

2002.8.1731武汉生物工程教学研讨会

科学的本质在于创新，大学的动力在于创新。要创新就必须有坚实的理论基础，因此大学师生必须从事高水平的（最好是原创性的）学术研究，必须加强基础理论的学习和应用。跟踪性研究固然有利于早出经济成果，但从长计议，更重要的应该是创新和超越。因此大学的首要任务应该是要培养学生的独立思考的能力和创新能力，引导学生从源头上进入世界研究和开发的前沿。

2002.8.1732武汉生物工程教学研讨会近年来，随着改革开放以来的经济发展、社会进步，多样化的趋势明显加强。大学生物工程专业不同层次的学生身份的多样化（应届生、往届生、进修生、在职研究生、本校在职教师等），学术背景的多样化（工、农、医、药、林、牧、矿、化学、生化学、生物学、师范等），学生前修课程的多样化等等，给教学带来了一定的难度；但如果教师掌握得好，会给教学带来更大的生机和活力。

2002.8.1733武汉生物工程教学研讨会

因为教学应该是个互动的过程，教，主要是引导，教并不是单纯的付出；学，主要靠自己，学习不单纯向老师学。大学是追求真理的地方，追求真理无止境，教学相长出成果。

2002.8.1734武汉生物工程