工業(yè)發(fā)酵的被動(dòng)性和人的主觀能動(dòng)作用無錫

工業(yè)發(fā)酵的被動(dòng)性和人的主觀能動(dòng)作用無錫第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-82定位：人與微生物都是地球上的居民

人在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中處于被動(dòng)的地位。微生物的生存利益與人類的經(jīng)濟(jì)利益，也就是微生物的生命活動(dòng)規(guī)律和人的主觀意志，既是對立的，又是統(tǒng)一的；發(fā)酵工程領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師的工作就在于努力促使對立向統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化。為解決這個(gè)難題，作者提出了“微生物生物機(jī)器”的創(chuàng)新思路和發(fā)酵工程的生物學(xué)理論的框架。第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-83工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性的問題

在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，人的意愿要通過微生物的生命活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)意義上，人在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中處于被動(dòng)的地位。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中如何發(fā)揮人的主觀能動(dòng)作用，這對于工業(yè)微生物學(xué)家和發(fā)酵工程師來說，始終是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-84歷史地看待微生物的進(jìn)化和發(fā)展

在微生物進(jìn)化的歷史長河中，運(yùn)動(dòng)變化中的微生物經(jīng)受了環(huán)境的種種考驗(yàn)，經(jīng)過生存斗爭，適者生存下來，形成現(xiàn)在的各種微生物物種。因此，它們是經(jīng)物競天擇而得到的階段性進(jìn)化成果。它們的生命活動(dòng)規(guī)律是在億萬年的物競天擇的過程中建立和逐步完善的，是不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-85微生物的進(jìn)化不可能刻意去照顧人類的利益

天然存在的各種微生物物種的生命活動(dòng)過程——不論是造福于人類或危害人類的——都是它們按它們自己的生命活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行生存競爭的新陳代謝過程。微生物的天然進(jìn)化不可能刻意去照顧人類的利益。為發(fā)酵工業(yè)服務(wù)的育種是另一種意義上的進(jìn)化。首先，它被期望按人選定的造福于人類的方向進(jìn)行的；其次，它的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般意義上的進(jìn)化。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-86辯證地看待人與微生物之間的對立與統(tǒng)一

微生物生命活動(dòng)有其自己的生存、發(fā)展的保障機(jī)制，這些機(jī)制服務(wù)于它們自身的生存競爭；在工業(yè)生產(chǎn)中，人類謀求經(jīng)濟(jì)效益。微生物的生存利益與人類的經(jīng)濟(jì)利益（也就是微生物的生命活動(dòng)規(guī)律和人的意志），這兩者既是對立的，又是統(tǒng)一的。科學(xué)和技術(shù)工作的目的就在于努力促使對立向統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化。第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-87微生物獨(dú)立存在自主生活

微生物在其生存的環(huán)境中獨(dú)立存在自主生活；微生物進(jìn)化的總的方向，是發(fā)展其生存競爭的能力，即其生命活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性和其自身對其所處的環(huán)境的適應(yīng)性。任何代謝中間產(chǎn)物或細(xì)胞組分的過多生成和排出細(xì)胞，都是對微生物細(xì)胞增長的釜底抽薪，都是與微生物生長和求生存的利益背道而馳的，是不利于生存競爭的。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-88從實(shí)際出發(fā)選好研究的典型

工業(yè)發(fā)酵的世界太奇妙，但對它的研究要從最普通的發(fā)酵開始。我們從當(dāng)今發(fā)酵工業(yè)實(shí)際出發(fā)，把以化能異養(yǎng)型微生物為生產(chǎn)菌種，從成熟的發(fā)酵醪液中獲取代謝中間產(chǎn)物的工業(yè)發(fā)酵作為典型的工業(yè)發(fā)酵來研究。第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-89為典型的工業(yè)發(fā)酵建立工作模式

從一個(gè)個(gè)的發(fā)酵生產(chǎn)實(shí)例，到工業(yè)發(fā)酵的概念的形成，是一個(gè)從個(gè)別（特殊）到一般的認(rèn)識(shí)過程；從對工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀的分析和梳理，到典型的工業(yè)發(fā)酵的界定，是一個(gè)從一般到特殊的認(rèn)識(shí)過程。我們以典型的工業(yè)發(fā)酵為研究對象，并為它建立了微生物生物機(jī)器的工作模式。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-810生物機(jī)器的工作模式Workingpatternofbio-machineinIndustrialFermentation第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-811發(fā)酵工程的生物學(xué)理論的框架第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-812發(fā)酵工程的生物學(xué)理論的框架

我們把現(xiàn)代生物學(xué)關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的電子流動(dòng)、物質(zhì)流動(dòng)和信息流動(dòng)這三個(gè)基本觀點(diǎn)引入了發(fā)酵工程領(lǐng)域，提出了關(guān)于微生物生命活動(dòng)的三個(gè)基本假說。用這三個(gè)基本假說重新審視了發(fā)酵工程，于是就有了四條新思路。根據(jù)以上三個(gè)觀點(diǎn)和四條新思路，結(jié)合發(fā)酵工程和環(huán)境生物工程的原有的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行演繹推理，做出了關(guān)于微生物工業(yè)（主要包括發(fā)酵工程和環(huán)境生物工程等）的八個(gè)應(yīng)用性推理。第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-813假說一：生物能支撐假說

微生物細(xì)胞的生長和維持需要其自身能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)從其它形式的能量轉(zhuǎn)化而形成的生物能來支撐。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-814假說二：代謝網(wǎng)絡(luò)假說

微生物細(xì)胞是個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，微生物細(xì)胞的代謝和生長依賴于橫跨細(xì)胞內(nèi)外的代謝網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-815假說三：細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說

在物競天擇的基礎(chǔ)上建立的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系是微生物細(xì)胞生存的保障體系。返回第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-816“微生物生物機(jī)器”（1）現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上的必不可少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個(gè)意義上，微生物細(xì)胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上特殊機(jī)器——“微生物生物機(jī)器”。沒有微生物就沒有發(fā)酵工程，微生物是發(fā)酵工程的靈魂。微生物菌種是決定生產(chǎn)成敗的內(nèi)因。第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-817“在線制造”和“生產(chǎn)運(yùn)行”的雙重任務(wù)（2）生物機(jī)器與普通意義上的機(jī)器不同，生物機(jī)器必須由生物能（bio-energy）直接驅(qū)動(dòng)。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物必須完成“微生物生物機(jī)器”的“在線制造”和“生產(chǎn)運(yùn)行”的雙重任務(wù)。因而，菌種確定以后，仍需對發(fā)酵生產(chǎn)的操作條件作相應(yīng)的階段性的變通，調(diào)節(jié)“在線制造”和“生產(chǎn)運(yùn)行”的條件，控制“機(jī)器”的數(shù)量和質(zhì)量，維持新陳代謝，生產(chǎn)目的產(chǎn)物。第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-818“微生物生物機(jī)器”工作原理

（3）“微生物生物機(jī)器”按其自身固有的規(guī)律運(yùn)行，為了引導(dǎo)微生物為我們服務(wù)，必須深入研究微生物生物機(jī)器的工作原理。建立微生物工作模式，為“微生物生物機(jī)器”實(shí)驗(yàn)研究和哲學(xué)思辨選好對象，為“微生物生物機(jī)器”工作原理的研究找到支點(diǎn)。第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-819現(xiàn)代發(fā)酵工程的出路在于向生物學(xué)靠攏

（4）發(fā)酵工程具有鮮明的生物學(xué)屬性，現(xiàn)代發(fā)酵工程的出路在于向生物學(xué)靠攏。發(fā)酵生產(chǎn)向化學(xué)工程學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的飛躍；發(fā)酵生產(chǎn)與生物學(xué)的結(jié)合醞釀著發(fā)酵工程的又一次革命性的飛躍。發(fā)酵工程將在生物學(xué)和工程學(xué)的支撐下，進(jìn)入了發(fā)酵工程發(fā)展的新階段，成為生物工程的一個(gè)重要的組成部分。返回第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-820推理一：物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化的推理

如果假說一、二成立，微生物細(xì)胞可以經(jīng)物質(zhì)代謝和能量代謝，將其從生存環(huán)境中獲得的營養(yǎng)物質(zhì)和能源物質(zhì)，轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物（細(xì)胞、可溶性有機(jī)物、氣體）和生物能，以及其他形式的能量。

第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-821

推理二：細(xì)胞資產(chǎn)流失的推理

如果推理一和假說一、三成立，那么，細(xì)胞獲得的物質(zhì)和能量中，有一部分將以胞外產(chǎn)物（包括流出的物質(zhì)代謝中間產(chǎn)物和能量代謝副產(chǎn)物）和熱能的形式從細(xì)胞流失。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-822

推理三：原料與產(chǎn)物的推理

如果推理一、二和假說二成立，那么代謝網(wǎng)絡(luò)中任何一種中間產(chǎn)物，包括借助生物學(xué)、化學(xué)方法可與代謝網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的任何一種化合物，都有可能被開發(fā)成為工業(yè)發(fā)酵的原料或目的產(chǎn)物。第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-823

推理四：生物機(jī)器的推理（之一）

如果推理一、二和假說一、二、三成立，那么可以根據(jù)要求細(xì)胞分泌的目的產(chǎn)物的種類和數(shù)量確定目標(biāo)，借助菌種改良和發(fā)酵工藝控制，對微生物細(xì)胞的代謝進(jìn)行有限的導(dǎo)向，調(diào)整微生物細(xì)胞合成并分泌目的產(chǎn)物的種類和數(shù)量，從而成為發(fā)酵工廠的生物機(jī)器。第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-824

推理五：新的過程參數(shù)的推理

如果假說一成立，那么微生物生成和分泌主要能量代謝副產(chǎn)物的量的變化，也將成為過量合成目的產(chǎn)物的工業(yè)發(fā)酵過程的工藝控制的重要數(shù)量依據(jù)。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-825

推理六：生物機(jī)器的推理（之二）

如果推理二、三、四、五和假說一、二、三成立，對于微生物細(xì)胞的增殖（生物機(jī)器制造）和目的產(chǎn)物合成（生物機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)）階段分明，而且不相互覆蓋的發(fā)酵生產(chǎn)，兩個(gè)階段應(yīng)區(qū)別對待；有了分別與增殖階段和合成階段配套的工藝和設(shè)備條件，以及生長過渡技術(shù)，細(xì)胞高密度發(fā)酵可望成功。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-826

推理七：生物機(jī)器的推理（之三）

對于生長過程中合成的產(chǎn)物（能量代謝副產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物）和生長停止后的合成的產(chǎn)物（次級代謝產(chǎn)物）而言，它們的合成代謝動(dòng)力學(xué)是不同的。如果推理六成立，連續(xù)發(fā)酵有利于前者的生產(chǎn)，經(jīng)過優(yōu)化的分批發(fā)酵有利后者的生產(chǎn)。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-827推理八：擴(kuò)大能量流失的推理

如果推理一、二和假說一、三成立，那么，就有可能借助于菌種改良和培養(yǎng)條件的控制，對細(xì)胞的代謝進(jìn)行有限的導(dǎo)向，擴(kuò)大代謝過程中能量的流失，實(shí)現(xiàn)生物降解與細(xì)胞增長的分離，從而限制有機(jī)廢水凈化的過程中微生物細(xì)胞的增殖。

第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-828既要有實(shí)驗(yàn)研究，又要有哲學(xué)的思辨以上假說、思路和推理用作研究“微生物生物機(jī)器”的工作原理的框架，從客觀事物演化的歷程和機(jī)理入手，用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出定性判斷與定量計(jì)算相結(jié)合的方式對工業(yè)發(fā)酵進(jìn)行的系統(tǒng)的研究。在研究思路上，正反兩方面并重。對理論框架既要有正面的實(shí)驗(yàn)證明，又要有批判性的實(shí)驗(yàn)反證；既要有生物科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，又要有哲學(xué)的思辨。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-829發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中

人的主觀能動(dòng)作用的發(fā)揮

第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-830發(fā)酵工程的基本矛盾

在發(fā)酵工業(yè)中人類只有依靠微生物才能間接地達(dá)到目的，這就是所謂發(fā)酵工業(yè)的被動(dòng)性。為了在工業(yè)發(fā)酵中爭取主動(dòng)，必須發(fā)揮人的主觀能動(dòng)作用。發(fā)酵工程的基本矛盾在于：人出于經(jīng)濟(jì)利益對微生物代謝的導(dǎo)向與微生物細(xì)胞的生存保障體系對這種導(dǎo)向的響應(yīng)。人的主觀能動(dòng)作用的發(fā)揮具體表現(xiàn)在促進(jìn)矛盾雙方從對立走向統(tǒng)一。第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-831復(fù)雜系統(tǒng)中的代謝流

微生物及其所處環(huán)境構(gòu)成特殊的復(fù)雜系統(tǒng)，在這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中參與代謝的物質(zhì)在代謝途徑中按一定規(guī)律流動(dòng)，形成微生物的代謝流。涉及活細(xì)胞生命活動(dòng)的生化途徑可稱為代謝途徑，代謝途徑首尾相接形成代謝網(wǎng)絡(luò)，碳架物質(zhì)在代謝網(wǎng)絡(luò)里流動(dòng)時(shí)碳架物質(zhì)流過的代謝途徑（包括膜中的載體蛋白和代謝途徑中的酶）叫載流途徑。第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-832生物機(jī)器生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的載流途徑

當(dāng)微生物細(xì)胞以微生物生物機(jī)器的“身份”投入生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，碳架物質(zhì)流從工業(yè)原料（細(xì)胞外）開始，貫穿細(xì)胞，直到目的產(chǎn)物（細(xì)胞外）。這時(shí)，碳架物質(zhì)流過的代謝途徑叫做所研究的這種微生物細(xì)胞生產(chǎn)這個(gè)目的產(chǎn)物的主要載流途徑。第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-833

進(jìn)入準(zhǔn)備及跨膜步驟注入途徑中心代謝途徑發(fā)散途徑跨膜步驟和胞外修飾理想載流途徑的五段式第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-834人貴有自知之明

要靠大自然的恩賜來解決菌種問題顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樽匀煌蛔兟蕵O低，而且不能定向，大自然推動(dòng)的篩選(經(jīng)自然競爭而實(shí)現(xiàn)的篩選)與人的主觀愿望并無相關(guān)性。為了加快微生物向滿足人類需求的方向定向“進(jìn)化”，就必須主動(dòng)地去改造微生物。根據(jù)我們的生產(chǎn)意圖和出發(fā)菌種固有的代謝規(guī)律及調(diào)節(jié)機(jī)制制訂育種方案，然后努力去實(shí)現(xiàn)。要加快微生物向人類利益的方向定向“進(jìn)化”，人類不但必須認(rèn)識(shí)微生物生命活動(dòng)的規(guī)律，還必須有自知之明。第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-835育種和發(fā)酵控制的統(tǒng)籌策略

“進(jìn)、通、節(jié)、堵、出”五字策略。①進(jìn)：促進(jìn)細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；②通：使來自各個(gè)分支的代謝物流能夠暢通地流向目的產(chǎn)物；③節(jié)：阻塞與目的產(chǎn)物的形成無關(guān)或關(guān)系不大的代謝支流，使代謝物流相對集中地流向目的產(chǎn)物；④堵：消除或削弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝；⑤出：促進(jìn)目的產(chǎn)物向細(xì)胞外空間分泌。

第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日02-11-836用于菌種選育和工藝控制