2004.8 发酵原理 2004.8 张星元：发酵原理 发酵学基本理论框架 第一节  科学研究与科学方法 第二节  发酵工程的基本理论         为了研究的方便，已对复杂而多样的工业发酵进行切合当前发酵生产实际情况的合理分类和梳理，找到了最有代表性的工业发酵类型，并把它作为我们进行研究的出发点。        当今最有代表性的工业发酵有三个共性： 典型的工业发酵：①生产菌属于化能异养型微生物；②目的产物是在初级代谢产物；③细胞内合成的目的产物被排放到细    胞外。           把具有以上共性的工业发酵定义为典型的工业发酵。工业发酵理论的研究从这个基础水平上开始。         在微生物细胞生命活动（初级代谢）的八个基本假说和关于工业发酵的八个预测的基础上，以典型的工业发酵为研究的对象，已经形成如下自成系统的创新思路： 创新思路⑴ 细胞机器的工作模式⑵ 微生物代谢的五段式⑶ 工业发酵的五字策略    max.book118.com.1细胞机器的工作模式        1. 微生物细胞机器的概念：        微生物细胞能独立存在和自主生活（ free-living ）。 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，微生物活细胞就是发酵工厂发酵生产线上不可缺少的生产机器——微生物生物机器。          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（人和微生物合作的切入点）。         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。三个假说分别从能量，物质和信息三个角度支撑发酵工业的“细胞机器”的正常运转。        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。         综上所述，能量代谢需借助代谢网络来实现，代谢网络的运行需要代谢能的支撑。能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和制约。  max.book118.com   应用性推理：工业            发酵的八个预测         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——代谢网络。           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；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规律的对立统一关系提供了理论依据。         max.book118.com，假说是建立在观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。如果假说是不正确的，就把它否定掉，并必须构建新的假说。因此我们从这三个假说做出了若干个预测。         探索自然规律，目的在于应用，首先预测未来的工业发酵。在三个假说的基础上，主要从典型的工业发酵（max.book118.com）着手，对未来工业发酵做出的预测，从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。在探索真理的过程中，这一步是关键性的一步。因此这八个预测还要经受进一步的观察和实验的检验。         另外，出于人类功利，也有必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，根据以上关于微生物初级代谢的三个基本假说做出应用性预测，以便于调动微生物为工业生产服务。        以下列出发酵工业生产的若干应用性预测：  【预测1】物质能量转化的预测        如果假说1、2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和能源物质，转化成能量，包括代谢能和其他形式的能量，以及其他物质，包括细胞、可溶性有机物和气体。  说明：       能量流与物质流是紧密联系在一起的，没有物质流的运转，能量流无从谈起。而没有能量流的存在，物质流也不能形成。能量转化过程中自由能的损耗以热量的形式放出，导致培养物温度升高。在发酵生产中，物质流是我们追求的物质体现；营养物质经微生物细胞的代谢生成细胞的中间代谢物和能量代谢副产物，它们都是可溶性有机化合物；有氧呼吸中还有有机物氧化的终端产物二氧化碳生成。 【预测2】细胞资产流失的预测        如果预测 1 和假说 1、3 成立，那么，进入细胞的物质中的一部分将以胞外产物（包括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。  说明：        代谢中间产物是细胞的分子模块，如果作为工业发酵的目的产物而从细胞抽出，将影响细胞的生长速度。能量代谢副产物不参与细胞组成，及时排出细胞有利于能量代谢的持续进行。在细胞机器运行的过程中，胞外产物（包括物质代谢中间产物和能量代谢副产物）和热能都要从总收入（进入细胞的有机化合物）开支，从微生物细胞的角度来看是细胞资产的流失。 【预测3】原料与产物的预测        如果预测1、2和假说 2 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有机化合物，都有可能被开发成为工业发酵的原料或目的产物。 说明：        物质代谢和能量代谢是同一过程（代谢过程）的两个方面：生物体赖以生存的代谢能的转化寓于物质转化（微生物细胞自主解决代谢能问题）之中；代谢网络假设把代谢形象化为一个虚拟的网络——新原料、新产品开发的蓝图。          代谢网络中任何一种中间产物原则上都可能开发成工业发酵的新原料或新产品；如果希望使用的有机原料或希望生产的产品（有机化合物）不能在代谢网络上找到，按计算机网络联网的思路，借助生物学（代谢途径联网）、化学方法（化学反应联网）使目标化合物（原料或产品）与微生物的代谢网络联网，最终可能被开发成为工业发酵的原料或目的产物。这就是由联网引起的代谢网络的延伸。 【预测4】新的过程参数的预测        如果假说 1 成立，那么微生物生成和分泌的能量代谢副产物的种类和产量的变化，所放出的热量也将成为工业发酵过程的工艺控制的重要数量依据。  说明：        在供氧条件或营养条件发生变化的情况下，兼性厌氧微生物细胞内脱氢酶的辅酶把它在脱氢反应中接受的电子转交给内源的电子受体，生成能量代谢副产物排出细胞，同时辅酶自身得到再生，再生后又可回用于下一轮的脱氢反应，从而使用能量代谢继续进行下去。因此，胞外能量代
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