工业发酵的被动性和人的主观能动作用无锡

工业发酵的被动性和人的主观能动作用无锡第1页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-82定位：人与微生物都是地球上的居民

人在发酵工业生产中处于被动的地位。微生物的生存利益与人类的经济利益，也就是微生物的生命活动规律和人的主观意志，既是对立的，又是统一的；发酵工程领域的科学家和工程师的工作就在于努力促使对立向统一的转化。为解决这个难题，作者提出了“微生物生物机器”的创新思路和发酵工程的生物学理论的框架。第2页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-83工业发酵领域的挑战性的问题

在发酵工业生产中，人的意愿要通过微生物的生命活动来实现，在这个意义上，人在发酵工业生产中处于被动的地位。在发酵工业生产中如何发挥人的主观能动作用，这对于工业微生物学家和发酵工程师来说，始终是一个挑战性的问题。第3页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-84历史地看待微生物的进化和发展

在微生物进化的历史长河中，运动变化中的微生物经受了环境的种种考验，经过生存斗争，适者生存下来，形成现在的各种微生物物种。因此，它们是经物竞天择而得到的阶段性进化成果。它们的生命活动规律是在亿万年的物竞天择的过程中建立和逐步完善的，是不以人的主观意志为转移的客观存在。第4页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-85微生物的进化不可能刻意去照顾人类的利益

天然存在的各种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——都是它们按它们自己的生命活动规律进行生存竞争的新陈代谢过程。微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。为发酵工业服务的育种是另一种意义上的进化。首先，它被期望按人选定的造福于人类的方向进行的；其次，它的速度远远高于一般意义上的进化。第5页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-86辩证地看待人与微生物之间的对立与统一

微生物生命活动有其自己的生存、发展的保障机制，这些机制服务于它们自身的生存竞争；在工业生产中，人类谋求经济效益。微生物的生存利益与人类的经济利益（也就是微生物的生命活动规律和人的意志），这两者既是对立的，又是统一的。科学和技术工作的目的就在于努力促使对立向统一的转化。第6页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-87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，都是与微生物生长和求生存的利益背道而驰的，是不利于生存竞争的。第7页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-88从实际出发选好研究的典型

工业发酵的世界太奇妙，但对它的研究要从最普通的发酵开始。我们从当今发酵工业实际出发，把以化能异养型微生物为生产菌种，从成熟的发酵醪液中获取代谢中间产物的工业发酵作为典型的工业发酵来研究。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-89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对象，并为它建立了微生物生物机器的工作模式。第9页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-810生物机器的工作模式Workingpatternofbio-machineinIndustrialFermentation第10页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-811发酵工程的生物学理论的框架第11页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-812发酵工程的生物学理论的框架

我们把现代生物学关于能量转换的电子流动、物质流动和信息流动这三个基本观点引入了发酵工程领域，提出了关于微生物生命活动的三个基本假说。用这三个基本假说重新审视了发酵工程，于是就有了四条新思路。根据以上三个观点和四条新思路，结合发酵工程和环境生物工程的原有的专业知识进行演绎推理，做出了关于微生物工业（主要包括发酵工程和环境生物工程等）的八个应用性推理。第12页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-813假说一：生物能支撑假说

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。第13页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-814假说二：代谢网络假说

微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放体系，微生物细胞的代谢和生长依赖于横跨细胞内外的代谢网络来实现。第14页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-815假说三：细胞经济假说

在物竞天择的基础上建立的细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系。返回第15页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-816“微生物生物机器”（1）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——“微生物生物机器”。没有微生物就没有发酵工程，微生物是发酵工程的灵魂。微生物菌种是决定生产成败的内因。第16页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-817“在线制造”和“生产运行”的双重任务（2）生物机器与普通意义上的机器不同，生物机器必须由生物能（bio-energy）直接驱动。在发酵工厂的生产线上，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。因而，菌种确定以后，仍需对发酵生产的操作条件作相应的阶段性的变通，调节“在线制造”和“生产运行”的条件，控制“机器”的数量和质量，维持新陈代谢，生产目的产物。第17页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-818“微生物生物机器”工作原理

（3）“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。建立微生物工作模式，为“微生物生物机器”实验研究和哲学思辨选好对象，为“微生物生物机器”工作原理的研究找到支点。第18页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-819现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢

（4）发酵工程具有鲜明的生物学属性，现代发酵工程的出路在于向生物学靠拢。发酵生产向化学工程学习，实现了工业化的飞跃；发酵生产与生物学的结合酝酿着发酵工程的又一次革命性的飞跃。发酵工程将在生物学和工程学的支撑下，进入了发酵工程发展的新阶段，成为生物工程的一个重要的组成部分。返回第19页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-820推理一：物质、能量转化的推理

如果假说一、二成立，微生物细胞可以经物质代谢和能量代谢，将其从生存环境中获得的营养物质和能源物质，转化成产物（细胞、可溶性有机物、气体）和生物能，以及其他形式的能量。

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推理二：细胞资产流失的推理

如果推理一和假说一、三成立，那么，细胞获得的物质和能量中，有一部分将以胞外产物（包括流出的物质代谢中间产物和能量代谢副产物）和热能的形式从细胞流失。第21页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-822

推理三：原料与产物的推理

如果推理一、二和假说二成立，那么代谢网络中任何一种中间产物，包括借助生物学、化学方法可与代谢网络联网的任何一种化合物，都有可能被开发成为工业发酵的原料或目的产物。第22页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-823

推理四：生物机器的推理（之一）

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，对微生物细胞的代谢进行有限的导向，调整微生物细胞合成并分泌目的产物的种类和数量，从而成为发酵工厂的生物机器。第23页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-824

推理五：新的过程参数的推理

如果假说一成立，那么微生物生成和分泌主要能量代谢副产物的量的变化，也将成为过量合成目的产物的工业发酵过程的工艺控制的重要数量依据。第24页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-825

推理六：生物机器的推理（之二）

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（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。第25页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-826

推理七：生物机器的推理（之三）

对于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。第26页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-827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，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导向，扩大代谢过程中能量的流失，实现生物降解与细胞增长的分离，从而限制有机废水净化的过程中微生物细胞的增殖。

第27页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-828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“微生物生物机器”的工作原理的框架，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；既要有生物科学的实验研究，又要有哲学的思辨。第28页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-829发酵工业生产中

人的主观能动作用的发挥

第29页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-830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，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发挥具体表现在促进矛盾双方从对立走向统一。第30页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-831复杂系统中的代谢流

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中的酶）叫载流途径。第31页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-832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的“身份”投入生产运行时，碳架物质流从工业原料（细胞外）开始，贯穿细胞，直到目的产物（细胞外）。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的产物的主要载流途径。第32页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-833

进入准备及跨膜步骤注入途径中心代谢途径发散途径跨膜步骤和胞外修饰理想载流途径的五段式第33页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-834人贵有自知之明

要靠大自然的恩赐来解决菌种问题显然是不现实的，因为自然突变率极低，而且不能定向，大自然推动的筛选(经自然竞争而实现的筛选)与人的主观愿望并无相关性。为了加快微生物向满足人类需求的方向定向“进化”，就必须主动地去改造微生物。根据我们的生产意图和出发菌种固有的代谢规律及调节机制制订育种方案，然后努力去实现。要加快微生物向人类利益的方向定向“进化”，人类不但必须认识微生物生命活动的规律，还必须有自知之明。第34页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-835育种和发酵控制的统筹策略

“进、通、节、堵、出”五字策略。①进：促进细胞对营养物质的吸收；②通：使来自各个分支的代谢物流能够畅通地流向目的产物；③节：阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使代谢物流相对集中地流向目的产物；④堵：消除或削弱目的产物进一步代谢；⑤出：促进目的产物向细胞外空间分泌。

第35页，共39页，2023年，2月20日，星期四02-11-836用于菌种选育和工艺