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发酵原理_图文_百度文库

作者:微彩票 发布日期:2020-07-27 05:08



  发酵原理_生物学_自然科学_专业资料。请带着以下问题听课: 1.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? 3.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? 5.怎样认识微生物生物机器? 6.知己知彼是主动

  请带着以下问题听课: 1.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? 3.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? 5.怎样认识微生物生物机器? 6.知己知彼是主动合作的基础。 7.发酵原理的研究方兴未艾。 2019/4/5 张星元:发酵原理 1 1.发酵原理课程的沿革 绪 论 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 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 学的发酵工程专业正在融入生物工程专 业。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 技术界的广泛重视。 2019/4/5 张星元:发酵原理 2 1.发酵原理课程的沿革 我校发酵工程学科是我国最早设 立发酵工程学科,至今已有50年历史。 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 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 轻工博士后流动站的主要成员单位; 是教育部批准建设的36个 “国家生命 科学与技术人才培养基地”之一。 2019/4/5 张星元:发酵原理 3 1.发酵原理课程的沿革 《发酵原理》课程经过三十多年 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 建设),已成为我校生物工程学院创 建的生物工程专业特色课程。随着对 工业发酵的生物学属性的认识的深入, 《发酵原理》课程在生物工程专业课 程体系中的核心地位越来越明显了。 2019/4/5 张星元:发酵原理 4 1.发酵原理课程的沿革 发酵原理课程既不同于细胞 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 角,自成体系地展开工业发酵的 科学道理,自然而然地在基础课、 专业基础课和专业课之间架起桥 梁,从而为专业知识的学习提供 一个较高的起点。 2019/4/5 张星元:发酵原理 5 1.发酵原理课程的沿革 发酵原理课程旨在提高相 关专业本科学生的科学素养, 特别是生物科学和工程学的素 养,为我国生物工业的腾飞培 养能与国际先进水平接轨的、 有超越潜力的人才。 2019/4/5 张星元:发酵原理 6 1.发酵原理课程的沿革 发酵原理课程将在科 学的水平上重新审视发酵 工程,从生物科学和工程 学的角度系统地讨论发酵 工程的核心理论。 2019/4/5 张星元:发酵原理 7 2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂? 微生物是工业发酵的 “ 灵魂 ” 。 这句话强调微 生物在工业发酵中的关键作 用, 以及工业发酵与工业化 学过程、工业生物化学过程 的不同属性。 2019/4/5 张星元:发酵原理 8 2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂? 在工业化学过程中没有生 物活性物质参与催化,所用催 化剂也是无机物。工业生化过 程属于由酶催化的体外酶反应 过程,酶具有生物活性。当酶 失活、辅酶耗尽,过程就停止 了。 2019/4/5 张星元:发酵原理 9 2.为什么说微生物是工业发酵的灵魂? 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 没有工业发酵。微生物活细胞具有生 物能转换、辅酶再生、代谢的自动调 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 外累积造成环境极度恶化而影响微生 物生存之时。 2019/4/5 张星元:发酵原理 10 3.研究大千世界从何入手? 生命体,包括非细胞生物( 譬 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 种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——代谢能。 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 同的转化方法,这取决于它们各自的 生存方式。 2019/4/5 张星元:发酵原理 11 3.研究大千世界从何入手? 工业发酵要依靠微生物的 生命活动。我们该怎样认识微 生物细胞呢?微生物细胞与其 他生物细胞有什么不同的地方 呢?在工业发酵过程中,人类 与微生物细胞发生什么样的关 系呢? 2019/4/5 张星元:发酵原理 12 微 生 物 的 相 对 大 小 3.研究大千世界从何入手? 肉眼 真核细胞 原核细胞 光学显微镜 病毒 13 电镜 2019/4/5 张星元:发酵原理 3.研究大千世界从何入手? 微 生 物 的 特 点 1. 体积小; 2. 种类多; 3. 分布广; 4. 繁殖快; 5. 便于培养; 6. 容易发生变异; 7. 人工培养不受季节、地域的限制 2019/4/5 张星元:发酵原理 独 立 存 在 自 主 生 存 14 3.研究大千世界从何入手? 直接面向环境 细胞 生物转化 酶(如 葡萄糖 异构酶 等) 次级代 谢产物 (如抗 结构复杂的有 生素) 初级代 机产品(譬如 谢产物 甾醇的生物转 (如氨 张星元:发酵原理 化) 基酸) 细胞的产物 中心代 谢产物 (如柠 檬酸) 能量代 谢副产 物(如 乙醇) 15 单细胞蛋 白(白色 食品,蓝 2019/4/5 色食品) 3.研究大千世界从何入手? 工业发酵过程是微生物群体生 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 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、 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 物生成的偶联方式的多样性等等。 2019/4/5 张星元:发酵原理 16 3.研究大千世界从何入手? 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!奇 妙是客观存在的,面对如此奇妙是客观 存在,必须找到研究的出发点,才有可 能发现世界某一局部运行的规律,然后 再一步步地把研究推向深处。发酵原理 的研究要落到实处就必须确定研究的出 发点(发酵的类群),以及研究的具体 载体(微生物菌种和对应的产物)。 2019/4/5 张星元:发酵原理 17 3.研究大千世界从何入手? 研究的定位: 1.对现状的感性认识, 2.对现状的理性认识, 3.研究出发点的确定; 4.研究的逐步深入, 5.事物本质的揭示; 6.研究的范围的扩展…… 2019/4/5 张星元:发酵原理 18 3.研究大千世界从何入手? 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, 2. 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 分泌到细胞外。 在这门课程里,我们把符合以上 条件的工业发酵类群叫做典型的工业 发酵。对工业发酵的研究就从它开始。 2019/4/5 张星元:发酵原理 19 3.研究大千世界从何入手? 这主要是因为化能异养型微生 物的代谢与高等生物细胞的代谢有 较多的相似之处,特别是从碳元素 的代谢入手有较好研究基础;从排 出细胞的单一的初级代谢产物的生 产入手,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 源到目的产物的计量关系。 2019/4/5 张星元:发酵原理 20 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 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 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 上的代谢调节而发生的信息流动。在 以上认识的基础上,我们提出了微生 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 本课程的核心内容来讨论。 2019/4/5 张星元:发酵原理 21 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 微生物生命活动的三个基本假说: ①代谢能支撑假说:微生物细胞 生命活动的驱动原理(微生物能学) ②代谢网络假说:代谢网络与代 谢物流图(微生物第二解剖学) ③细胞经济假说:细胞经济运行 与生存保障原理(细胞经济学)。 2019/4/5 张星元:发酵原理 22 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 代谢能支撑假设挑明了微生物 生命活动的前提,即微生物细胞代 谢能的持续供应问题;代谢网络假 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 的转化关系;细胞经济假设揭示微 生物生命活动的经济管理原则,这 些原则是人和微生物合作成功的基 础。 2019/4/5 张星元:发酵原理 23 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 呼吸链 ATP ATP酶 2019/4/5 张星元:发酵原理 24 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 2019/4/5 张星元:发酵原理 25 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 2019/4/5 张星元:发酵原理 26 分泌能量代谢的副产 物 (乙醇、乳酸等) 4.怎样对抽象的 问题进行形象思 维? Ⅰ 碳架 ATP 结构单位 Ⅱ 分泌生物大分子的前体 (氨基酸、核酸等) 2019/4/5 Ⅲ 分泌生物大分子(酶 、微生物多糖等) 27 张星元:发酵原理 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 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 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 到工业发酵的普遍规律。 2019/4/5 张星元:发酵原理 28 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 运用这三个基本假设来分析 典型的工业发酵,提出了: 1. 为工业生产服务的若干推理 2. 工业发酵的微生物细胞机器的 工作模式 3. 工业微生物代谢的“五段式” 4. 工业发酵的“五字策略”。 2019/4/5 张星元:发酵原理 29 微生物细胞是发酵工厂最重要的机器 2019/4/5 张星元:发酵原理 30 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 微生物细胞机器的工作模式 Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation 2019/4/5 张星元:发酵原理 31 4.怎样对抽象的问题进行形象思维? 菌种选育和工艺控制的“五字策略” N P P 进 通 节 堵 出 2019/4/5 张星元:发酵原理 32 5.怎样认识微生物生物机器? 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—— 细胞机器。细胞机器与普通意义上的机 器不同,细胞机器必须由代谢能直接驱 动。在发酵工厂的生产线上,微生物细 胞机器必须完成“ 在线制造 ”和“生 产运行”的双重任务。 2019/4/5 张星元:发酵原理 33 5.怎样认识微生物生物机器? “微生物细胞”是生物学的概 念;“微生物细胞机器”是工程学 的概念。菌种微生物细胞是对应的 发酵产物的细胞机器,因此是有工 业生产个性的微生物细胞。微生物 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 为微生物细胞机器的潜在能力。 2019/4/5 张星元:发酵原理 34 5.怎样认识微生物生物机器? 微生物细胞在发酵工业上 以细胞机器的身份出现时,必 须体现人的意志。然而, “ 微生物细胞机器 ” 的微生 物属性决定了它必须按微生物 细胞固有的经济管理原则运行。 如果两者不一致怎么办? 2019/4/5 张星元:发酵原理 35 6.知己知彼是主动合作的基础。 人和微生物同是地球 上的居民,在理论上处于 平等的地位,微生物没有 为人类服务的义务。人贵 有自知之明,因为人有思 想。 2019/4/5 张星元:发酵原理 36 6.知己知彼是主动合作的基础。 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, 人控制下的微生物细胞机器与微生物 自身的价值取向不一定一致,为了引 导微生物为我们服务,人必须发挥主 观能动作用,遵循并灵活应用这些原 则,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 人的合作。 2019/4/5 张星元:发酵原理 37 7.发酵原理的研究方兴未艾。 发酵原理是工业发酵的生物学原理 的简称。它研究工业微生物在生长、繁 殖与发酵过程中的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 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, 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 它自身的不断完善而发挥不可替代的愈 来愈重要的作用。 2019/4/5 张星元:发酵原理 38 7.发酵原理的研究方兴未艾。 发酵原理的研究刚刚开 始,以全新的思路研究发酵 科学和发酵工程,前程远大。 发酵原理的研究有待于深入、 完善和扩展。需扩展的领域 是显而易见的,主要是以下 几方面: 2019/4/5 张星元:发酵原理 39 7.发酵原理的研究方兴未艾。 1.微生物营养类型的扩展 2.不同元素的代谢的扩展 3.不同代谢层面的扩展 4.原料与目的产物的扩展 5.原料群和产物群的扩展 2019/4/5 张星元:发酵原理 40 确立中国发酵学科的自尊, 加速我国发酵学科的系统升级 的进程。民族的尊严要靠对人 类文明的贡献来支撑。从长远 的观点看问题,机遇往往垂青 于勤奋而有准备的人们。 2019/4/5 张星元:发酵原理 41 复 习 题 1.试述生命的含义。 2.与其他细胞生物相比较微生物的生命 活动有何特点? 3.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? 5.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? 6.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? 2019/4/5 张星元:发酵原理 42

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