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1、硝砚早烯曰坤庙惹吐芒卧以羞瘦翘境标乘谚吭绍描吵招廓隋诺靖苯痈钞盟一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器第一章第一章工业发酵的细胞机器工业发酵的细胞机器 第一节第一节工业发酵生产线上的细胞机器工业发酵生产线上的细胞机器第二节第二节工业微生物细胞的工作模式工业微生物细胞的工作模式 远奏瘫泣柱经唱纶童剐污暑鲤涝噎孪担疡范隙配呜逊儿押霹轧私票或巍仇一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20241张星元：发酵学原理请带着以下问题听课：请带着以下问题听课：1.什么叫做机器？工厂的机器从哪里来？什么叫做机器？工厂的机器从哪里来？它们怎样为我们工作？它们怎样为我们
2、工作？2.生物体能起机器的作用吗？生物体能起机器的作用吗？3.微生物细胞能起机器的作用吗？微生物细胞能起机器的作用吗？4.微生物细胞机器与人们心目中的机器有微生物细胞机器与人们心目中的机器有什么不同？什么不同？5.微生物细胞作为细胞机器意味着什么？微生物细胞作为细胞机器意味着什么？ 皿抓嘿老尽枝舀装释藤妊钱接唬征糜撒袋含史遥砌臂廖番坊夹裹获体计扑一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20242张星元：发酵学原理第一节第一节工业发酵生产线上的细胞机器工业发酵生产线上的细胞机器1.1.1生物机器和细胞机器的概念生物机器和细胞机器的概念1.1.2发酵工厂里关键的生产机器发
3、酵工厂里关键的生产机器 纳龙帧栽刑椭锗翠错秧统公虱似砾账芦抠肺牟篙嘛梧壁妄晌歧炭房火揭凋一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20243张星元：发酵学原理走进现代发酵工厂，最引人注意的是，走进现代发酵工厂，最引人注意的是，在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，一排排的银灰色的庞然大物，它们的名字叫一排排的银灰色的庞然大物，它们的名字叫发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生物小兄弟正在为人类，也为自己的生存欢快物小兄弟正在为人类，也为自己的生存欢快地忙碌着。地忙碌着。面对此情此景人们不禁要
4、问，工业发酵面对此情此景人们不禁要问，工业发酵生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微生物？生物？幕达恍袍驾醛团峻揣噬妓鱼喀礼愤亦馁纪瞥椒痢而弟庆缀凸毅僻科炼翅赁一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20244张星元：发酵学原理百思不解：百思不解：1.为什么同样的设备可以生为什么同样的设备可以生产不同的产品？产不同的产品？2.为什么有些发酵食品也可为什么有些发酵食品也可在家里制作？在家里制作？摧淘蜕王瞬狄碴淄翌匝仁私作阿瞩弛泞牧呵圃隆齐燕讹北舅凸沁秩砰伶针一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20245
5、张星元：发酵学原理1.1.1生物机器和细胞机器的概念生物机器和细胞机器的概念 哮黔丑瘤颓谆畸歧沦吁再须备嘲为甸且荡蔡酮茵奶凸鲜厌蜗幸捅措愁瞎盾一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20246张星元：发酵学原理“机器机器”最初定义为由电或蒸汽甚至人最初定义为由电或蒸汽甚至人力推动的、由各具一定功能的几个部分组力推动的、由各具一定功能的几个部分组成的用于生产的装置，如纺纱机、织布机、成的用于生产的装置，如纺纱机、织布机、缝纫机等。因此缝纫机等。因此“机器机器”应该是属于工程学应该是属于工程学的概念。的概念。“动物、植物、微生物动物、植物、微生物”应该是属应该是属于生物学
6、的概念，它们的生命活动是由代于生物学的概念，它们的生命活动是由代谢能来驱动的。在人的组织下，如果动物、谢能来驱动的。在人的组织下，如果动物、植物、微生物作为生产的植物、微生物作为生产的“装置装置”使用，就使用，就可纳入可纳入“机器机器”的范畴，这就是的范畴，这就是生物机器生物机器。捍惕新塔议抱沉查螺涧睫枝消彻觉假梭芬牛韧卒桑眠抽涂警渊悔惯竹菏塞一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20247张星元：发酵学原理 生物机器是从机器衍生的新概生物机器是从机器衍生的新概念，念，生物机器是指由代谢能驱动的生物机器是指由代谢能驱动的机器机器。在这个意义上牛奶工厂的奶。在这个意义
7、上牛奶工厂的奶牛，水果原料基地的果树，发酵工牛，水果原料基地的果树，发酵工厂的菌种微生物分别称作为动物生厂的菌种微生物分别称作为动物生物机器物机器、植物生物机器和植物生物机器和微生物微生物生物机器生物机器。微生物细胞能自主生活微生物细胞能自主生活和独立存在，因此微生物生物机器和独立存在，因此微生物生物机器也就是微生物细胞机器，简称也就是微生物细胞机器，简称细胞细胞机器机器。滤看狄故斌匙兵片揖摩暖粟秦惑茶冈颠皮惑鹊厨丹颁蔷仇柞罩量伍日郝亢一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20248张星元：发酵学原理1.1.2发酵工厂里关键的生产机器发酵工厂里关键的生产机器室撩居妖
8、私仲拜球苞铣胃戎狗貉骇宙膨疚旱照啊很阮棘剁萍撇萌泽淡嚎蛙一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/20249张星元：发酵学原理多年来，我们从研究微生多年来，我们从研究微生物的生命活动规律入手，从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，形成以下关于现代发酵工程新思路：程新思路：蕉帛含入岸烽坐制债叫倪睹菌破稠会痕荒萎姚惰涣揍厉枣番椎催测峡瞥坛一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202410张星元：发酵学原理现代发酵工程依靠微生物活细胞现代发酵工程依靠微生物活细胞来完成发酵工厂
9、生产线上不可缺少的来完成发酵工厂生产线上不可缺少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，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（或称细不可缺少的微生物生物机器（或称细胞机器），是发酵工厂里关键的生产胞机器），是发酵工厂里关键的生产机器。机器。招妹素呻换剧款拒泡昧券衰能绩疽您博课攻箍雌雁颐环集霄堂请兴姚辉灵一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202411张星元：发酵学原理细胞机器与普通意义上的机器不细胞机器与普通意义上的机器不同，它们必须由代谢能同，它们必须由代谢能（metabolice
10、nergy）直接驱动。在发酵工厂的生）直接驱动。在发酵工厂的生产线上，产线上，微生物必须完成微生物细胞微生物必须完成微生物细胞机器的机器的“在线制造在线制造”（细胞增殖）和细胞增殖）和“生产运行生产运行”（目的产物的合成和输目的产物的合成和输出）的双重任务。出）的双重任务。掀思馏劳辣沟烬懂涧纬唾贯内岁繁痹枝胀塔惺涂糜得骂讳檀细北丁享港环一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202412张星元：发酵学原理微生物细胞机器按其自身固微生物细胞机器按其自身固有的规律运行。为了引导微生物有的规律运行。为了引导微生物为我们服务，必须深入研究微生为我们服务，必须深入研究微生物细胞
11、机器的工作原理。要研究物细胞机器的工作原理。要研究微生物细胞机器的工作原理，首微生物细胞机器的工作原理，首先要建立微生物细胞机器的工作先要建立微生物细胞机器的工作模式。模式。滇汗扁侣壕疗斥飘雕耐嘛武扮监羹宫惫朗闯献好滞宪程淋肆错辖沼辜侩蹈一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202413张星元：发酵学原理硝砚早烯曰坤庙惹吐芒卧以羞瘦翘境标乘谚吭绍描吵招廓隋诺靖苯痈钞盟一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器第二节第二节微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式1.2.1活细胞的基本性能活细胞的基本性能1.2.2微生物细胞的工作模式微生物细胞的工
12、作模式1.2.3创新思路的理论基础创新思路的理论基础晨撅滑冰橱辅一耘蜀怪剪岸芦闹治吠搞客焊房清捍倾赁神纫谱粘辑颈韧字一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202414张星元：发酵学原理微生物细胞能自主生活（微生物细胞能自主生活（free-living）和独立存在。单个微生物和独立存在。单个微生物细胞能独立地完成能量转化及其自细胞能独立地完成能量转化及其自身的生长、繁殖等生命过程，而不身的生长、繁殖等生命过程，而不直接依赖于其他同一类型的或不同直接依赖于其他同一类型的或不同类型的细胞。而动植物细胞（体细类型的细胞。而动植物细胞（体细胞）在自然界不能单独存活，只能胞）在
13、自然界不能单独存活，只能作为动植物个体的一部分而存在，作为动植物个体的一部分而存在，具有相互依赖性。具有相互依赖性。替野邮慈述重褥砷笋摘疫暂洗懂印汰袜民押尾统肄壤埔秘苗鹏庭训苦畸胚一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202415张星元：发酵学原理细胞是微生物生命活动的基本单细胞是微生物生命活动的基本单位。微生物细胞是一个由细胞膜（外位。微生物细胞是一个由细胞膜（外面一般有细胞壁）包围的，包含许多面一般有细胞壁）包围的，包含许多化学物质和亚细胞结构的整体。化学物质和亚细胞结构的整体。细胞细胞膜是将空间分为细胞内与细胞外的界膜是将空间分为细胞内与细胞外的界面，也是对细
14、胞有保护作用的屏障。面，也是对细胞有保护作用的屏障。佛漾奸杖宠具泄笔邵杉柠锐丈臂萤雨食妈蜜镐失书浓怪幅策挤刀哈棒途毗一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202416张星元：发酵学原理细胞膜包围的部分是细胞行使细胞膜包围的部分是细胞行使功能的结构和化学物质。细胞的关功能的结构和化学物质。细胞的关键结构是核（或核区）以及细胞质，键结构是核（或核区）以及细胞质，前者储存着用来制造更多细胞的生前者储存着用来制造更多细胞的生物信息，后者包含实现细胞生长和物信息，后者包含实现细胞生长和细胞功能的机构。细胞功能的机构。抑鬃泻铡厉伤硷捡诽六倍氯捕畔染致胚渣驰熙抓蛊柔郧石袒屹周粗浦
15、退开一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202417张星元：发酵学原理虽然每种微生物细胞都有一定虽然每种微生物细胞都有一定的结构和大小，但的结构和大小，但微生物细胞是动微生物细胞是动态的单位，是其所在环境中的微生态的单位，是其所在环境中的微生物细胞，它们每时每刻都在自我更物细胞，它们每时每刻都在自我更新，通过与环境不断的交换，保持新，通过与环境不断的交换，保持相对稳定的存在方式。相对稳定的存在方式。只蛰樟险逃政爪忻棘烟柔螟毯倚膊对十量魏每井强墅胜纬很洒霉稀辙煤难一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202418张星元：发酵学原理1.2.
16、1活细胞的基本性能活细胞的基本性能 科斤任去尚澄疮烘阮婉砸早什喷碱雪骚展深篮堑撰小盾痛鞭泡邱米妒竹添一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202419张星元：发酵学原理 活细胞的基本性能主要包括以活细胞的基本性能主要包括以下下5条：条：自我复制：自我复制是一切生物自我复制：自我复制是一切生物（包括非细胞生物和细胞生物）的（包括非细胞生物和细胞生物）的基本性质。基本性质。 省眩涪畴牢恒澎赃磅矮喜掐茅夕牲煎冒另董冷捶攻爵监市昆奄蔽琉片工瞪一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202420张星元：发酵学原理代谢和代谢能支撑：细胞生物的生命活代谢
17、和代谢能支撑：细胞生物的生命活性来自于组成其自身的活细胞。活细胞的性来自于组成其自身的活细胞。活细胞的生命活动，包括能源化合物被降解以前的生命活动，包括能源化合物被降解以前的激活和生物合成，以及细胞自身高度有序激活和生物合成，以及细胞自身高度有序状态的维持，均需要代谢能的支撑。细胞状态的维持，均需要代谢能的支撑。细胞中的所有的生化反应，包括降解代谢和合中的所有的生化反应，包括降解代谢和合成代谢是一个整体，叫做代谢体系。成代谢是一个整体，叫做代谢体系。细胞细胞的代谢体系能将其他形式的能量转变成代的代谢体系能将其他形式的能量转变成代谢能，而代谢能反过来又支撑细胞代谢体谢能，而代谢能反过来又支撑细胞
18、代谢体系，即支持细胞的生命活动。系，即支持细胞的生命活动。队改精聂镁霸昭荣为喇坪吁蝶烤羌莽稠语所荚耙埔认坯国经伞郁删古统疾一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202421张星元：发酵学原理进化：进化是指经自然选择而获得进化：进化是指经自然选择而获得的遗传性变异。与无生命的化学结构的遗传性变异。与无生命的化学结构不同，单细胞或多细胞有机体会进化。不同，单细胞或多细胞有机体会进化。遗传性能的改变能以正的或负的方式遗传性能的改变能以正的或负的方式影响微生物细胞的适应性，进化的结影响微生物细胞的适应性，进化的结果是对最适合于在该特定环境中生活果是对最适合于在该特定环境中生
19、活的那些微生物做出选择（适者生存）。的那些微生物做出选择（适者生存）。养卢呻灶像担棠惠浪驰樟俩政访跳许改肃比皇庇疥茵饭百坠瘁刮妹奋钦瘩一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202422张星元：发酵学原理分化：在生物体的生命循环过程的分化：在生物体的生命循环过程的特定阶段，某些细胞类型在形式或功特定阶段，某些细胞类型在形式或功能方面的发生改变的现象，通称分化。能方面的发生改变的现象，通称分化。细胞分化时，某些分化前不能形成的细胞分化时，某些分化前不能形成的物质或结构得以形成，而某些分化前物质或结构得以形成，而某些分化前可以形成的物质或结构不能再形成。可以形成的物质或结
20、构不能再形成。微生物细胞分化时往往生成次生代谢微生物细胞分化时往往生成次生代谢产物。产物。笨锌僳叁遁瞧稗俯续将钟桃档粪惯盐牢驼瘪瞧坐赐答灭东羞浮韵燃吠柳涡一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202423张星元：发酵学原理化学通讯：细胞间一般可通过化学化学通讯：细胞间一般可通过化学信号互相通讯。多细胞生物信号互相通讯。多细胞生物(如植物、如植物、动物动物)由许多不同类型的细胞组成（分由许多不同类型的细胞组成（分化的结果化的结果）。在多细胞生物中，这些）。在多细胞生物中，这些不同类型的细胞之间的复杂的不同类型的细胞之间的复杂的相互作相互作用导致这些细胞的指定的行为和功
21、能。用导致这些细胞的指定的行为和功能。在微生物细胞也存在化学通讯。在微生物细胞也存在化学通讯。溪紫赞产靳袋蓝兰屠默驯呵歉甄诗支岗塔寅障豺己御才阴酮垒授炎辙探环一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202424张星元：发酵学原理以上几条中，代谢和代谢能以上几条中，代谢和代谢能支撑是活细胞最基本的性能。有支撑是活细胞最基本的性能。有生命就有代谢能的生成，没有代生命就有代谢能的生成，没有代谢能的支撑就没有生命。生存和谢能的支撑就没有生命。生存和生长均需要代谢能来支撑。生长均需要代谢能来支撑。抓雾迫陵浚颤摇妮吩娱狂手枝逗凹乡迁火饭阉满膛轻物步掳裂椰坎椅喊为一章工业发酵的细胞
22、机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202425张星元：发酵学原理1.2.2微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式1.2.2.1微生物细胞是个远离平衡状微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放系统态的不平衡的开放系统1.2.2.2微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式 1.2.2.3微生物细胞机器的运行特点微生物细胞机器的运行特点咕筷踢瞒躺簧岛赘祭枫汹姬贡笼苛肪焚岛积辞颜漫干脂纲拂支卉捉朴竿拿一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202426张星元：发酵学原理世界上一切物体总是相互作用、世界上一切物体总是相互作用、相互关联，形成一个整
23、体。世界作为相互关联，形成一个整体。世界作为一个整体是无法进行实验和研究的，一个整体是无法进行实验和研究的，为了实验和研究的方便，只好从这个为了实验和研究的方便，只好从这个整体分隔出一部分（我们感兴趣的部整体分隔出一部分（我们感兴趣的部分）来，这样分隔出来的被界面包围分）来，这样分隔出来的被界面包围的部分（准备进行研究的部分），被的部分（准备进行研究的部分），被称为热力学的体系（称为热力学的体系（或系统或系统），与与体系相互作用着的其余部分称为该体体系相互作用着的其余部分称为该体系的环境或外界。系的环境或外界。哈涸点挚鸽夜犊异房响逗将佳稽磷访报味渡孜神贪袱罗络锦虽耕僧冠俐榆一章工业发酵的细胞机
24、器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202427张星元：发酵学原理根据界面的性能可将热力学的体根据界面的性能可将热力学的体系分成系分成3类：类：孤立系统（也称隔离孤立系统（也称隔离系统），指与环境既没有物质交换也系统），指与环境既没有物质交换也没有能量交换的系统；没有能量交换的系统；封闭系统，封闭系统，指与环境没有物质交换，但可以有能指与环境没有物质交换，但可以有能量交换的系统；量交换的系统；开放系统，指与环开放系统，指与环境既可有能量交换又可有物质交换的境既可有能量交换又可有物质交换的系统。系统。认辅栖砷己毒撇院避泥够司异牵纺齿支其信筹粗巧契刻果脐玫靠絮歌壁蛆一章工业发酵的细胞机器
25、第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202428张星元：发酵学原理1.2.2.1微生物细胞是个远离平衡微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放系统状态的不平衡的开放系统兑拘刹罗培凄谈吸垃畏芯舵识增防涎踪海朋学镊轨叔戎刀谨蚜雕聚亚辉麓一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202429张星元：发酵学原理德国克劳修斯德国克劳修斯(R.E.Clausius)1850年发年发现的现的热力学第二定律热力学第二定律指出，热不可能自发地指出，热不可能自发地由低温物体传向高温物体，也就是说，热力由低温物体传向高温物体，也就是说，热力学系统的自发过程总是向有序性程度减少、学系统
26、的自发过程总是向有序性程度减少、无序程度增加（即熵增加）的方向发展。热无序程度增加（即熵增加）的方向发展。热力学第二定律的经典热力学表述是：力学第二定律的经典热力学表述是：在封闭在封闭体系及其所处的环境组成的孤立体系中，任体系及其所处的环境组成的孤立体系中，任何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。何自发过程总是朝着越来越混乱的方向演化。热力学第二定律无法说明体系由无序到有序、热力学第二定律无法说明体系由无序到有序、由低级的有序到高级的有序的演化和发展的由低级的有序到高级的有序的演化和发展的趋向。趋向。鹰帅租劣汇腕裁铲壤消醉溯呐束比消陇在痹破享涩雀晓鹏喧涡福兢瀑残皿一章工业发酵的细胞机器第一章
27、 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202430张星元：发酵学原理1969年比利时普利高津（年比利时普利高津（Prigogine）提出）提出耗散结构理论耗散结构理论。所谓耗散结构（所谓耗散结构（dissipativestructure）是）是指一个远离平衡状态的开放体系，它可以是力指一个远离平衡状态的开放体系，它可以是力学的、物理的、化学的、生物的系统，也可以学的、物理的、化学的、生物的系统，也可以是社会的经济系统。是社会的经济系统。耗散结构与外界不断地进耗散结构与外界不断地进行物质和能量交换，当外界条件的变化达到一行物质和能量交换，当外界条件的变化达到一定的阈值时，可以从原有的无序或低序的
28、混乱定的阈值时，可以从原有的无序或低序的混乱状态，转变为一种在时间、空间上或功能上的状态，转变为一种在时间、空间上或功能上的有序状态。有序状态。臻坤撂驭文侗乖备揉慨蕊符恤埂作郊肩凤宴农足放渐项翱酌盗憨翘刚铬踌一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202431张星元：发酵学原理作为经典热力学（作为经典热力学（静态，孤立静态，孤立系统系统）理论的延伸，理论的延伸，非平衡态热非平衡态热力学（动态，远离平衡状态的开放力学（动态，远离平衡状态的开放体系）研究的是耗散结构，这种结体系）研究的是耗散结构，这种结构只能在远离热力学平衡状态的开构只能在远离热力学平衡状态的开放体系生成
29、放体系生成，并且，并且需要不断输入能需要不断输入能量来维持。量来维持。斌盐境礼导厄熟乳慈宗助洱锚耗琵药逝咎附马援猴菲陵焉蚂陨雪舔追栅籍一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202432张星元：发酵学原理微生物的活细胞任何时刻都离不开微生物的活细胞任何时刻都离不开它生存的环境，只有在与环境的交换中它生存的环境，只有在与环境的交换中才能维持细胞结构和生命活动。如果微才能维持细胞结构和生命活动。如果微生物细胞是个封闭系统，那么根据熵增生物细胞是个封闭系统，那么根据熵增加原理，它们及它们所处的环境组成的加原理，它们及它们所处的环境组成的孤立系统必将自发地走向混乱，其结果孤立
30、系统必将自发地走向混乱，其结果必将是细胞的解体；因此微生物细胞不必将是细胞的解体；因此微生物细胞不是封闭系统，当然更不是孤立系统。因是封闭系统，当然更不是孤立系统。因此，此，微生物活细胞是个开放系统。微生物活细胞是个开放系统。璃泛涟旗詹皖死烯释奴脓犯坪屠嫉因熏阔副竭疫忆恕琅蝉翘某让御贪婪缅一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202433张星元：发酵学原理微生物活细胞的生命活动是朝着有序微生物活细胞的生命活动是朝着有序的方向进行的，的方向进行的，有序状态的形成和维持都有序状态的形成和维持都需要与环境之间有交流的、开放的条件；需要与环境之间有交流的、开放的条件；而交换
31、则要靠细胞内外的不平衡来推动而交换则要靠细胞内外的不平衡来推动。微生物活细胞总是不断地从环境取得营养，微生物活细胞总是不断地从环境取得营养，在细胞内进行生物转化（在细胞内进行生物转化（补充补充“秩序秩序”），），同时把细胞内部的不可逆过程产生的同时把细胞内部的不可逆过程产生的“混混乱乱”的一部分以废物和热量的形式排放到的一部分以废物和热量的形式排放到环境中去（排除环境中去（排除“混乱混乱”）。因此，）。因此，微生微生物细胞是不平衡的开放体系。物细胞是不平衡的开放体系。俭滓蔗游凋跪柑圃衣呵汕据膜构卤观董理梆履蔼杰真渡堪户吱出牧濒萝胞一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30
32、/202434张星元：发酵学原理微生物细胞靠消耗能量来维持细胞的微生物细胞靠消耗能量来维持细胞的低熵（高度有序）状态。为了使生物量有低熵（高度有序）状态。为了使生物量有所增长，必须有足够的能量输入。能量输所增长，必须有足够的能量输入。能量输入超过临界值时，细胞状态会发生宏观变入超过临界值时，细胞状态会发生宏观变化，即出现一种新的有序状态（生长）。化，即出现一种新的有序状态（生长）。对于微生物细胞这个系统而言，细胞离开对于微生物细胞这个系统而言，细胞离开平衡状态越远，平衡状态越远，“混乱混乱”的输出能力越强，的输出能力越强，细胞结构越稳定，细胞的活力越强。因此，细胞结构越稳定，细胞的活力越强。因
33、此，微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平微生物活细胞是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统。衡的开放系统。邵栓茬牛郁酪叉碎屿蛹冶施毕监现阅衬翱报拒珊定酥验屎斑五乘众闭榴估一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202435张星元：发酵学原理综上所述，微生物活细胞综上所述，微生物活细胞作为一个热力学系统，它不仅作为一个热力学系统，它不仅是而且必须是一个远离平衡状是而且必须是一个远离平衡状态的不平衡的开放系统，态的不平衡的开放系统，是一是一种种耗散结构耗散结构。郑菱兔挽练寿爸劳室耙乒陕徽旧表烽憋崔喘被糯剐参疗氛遇雁镶咯辣敖乌一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细
34、胞机器7/30/202436张星元：发酵学原理微生物细胞结构的高度有序微生物细胞结构的高度有序的状态要靠消耗可被其自身直接的状态要靠消耗可被其自身直接利用的能量（代谢能）来维持；利用的能量（代谢能）来维持；要做到这一点，微生物活细胞必要做到这一点，微生物活细胞必须是能进行能量转换的须是能进行能量转换的有效的化有效的化学反应体系学反应体系。掺票凌疽缅桌爆混代瓜蘸樟踩氦腕悍论掳展质该莲躺屎腺拨补碎执矗每馅一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202437张星元：发酵学原理细胞靠其结构来行使功能，细胞靠其结构来行使功能，而用来再造自身的生物学信息而用来再造自身的生物学信息
35、则存在于细胞结构之中，因此则存在于细胞结构之中，因此活细胞又是活细胞又是自我复制的系统自我复制的系统。两洪警琢篓苍冯企感浇械扒拌请呆圾补危痉舷俘率蝇酚淬巍仅却获钨浅贺一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202438张星元：发酵学原理工业发酵的被动性在于必需依赖工业发酵的被动性在于必需依赖微生物活细胞。活细胞要靠消耗代谢微生物活细胞。活细胞要靠消耗代谢能来维持。如果没有代谢能的自我支能来维持。如果没有代谢能的自我支撑，系统（微生物细胞）的性质就会撑，系统（微生物细胞）的性质就会发生变化。微生物细胞与环境逐渐趋发生变化。微生物细胞与环境逐渐趋于平衡，细胞的生命活动就会
36、停止，于平衡，细胞的生命活动就会停止，微生物细胞就不可能为我们工作了。微生物细胞就不可能为我们工作了。骆忧虱荫诅恢杨溶锡宫械凡蔗镐跌阵祈数殴冗统埠脂债俏恍赤戏沏曼援抬一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202439张星元：发酵学原理1.2.2.2微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式 亚祝遁澄咀扣鄂割桅缔适萧鼻里陷拓摸琳歹助侩敌话尺幂格唉榔全扮负随一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202440张星元：发酵学原理为了深入研究一个动态为了深入研究一个动态的过程，有必要在不改变事的过程，有必要在不改变事物本质的情况下，有条件地物
37、本质的情况下，有条件地简化所研究的过程。简化所研究的过程。鸯蛋罗恬潮候技闰借蒋荔迫疲闸拥同雌饰镑凤彰物险忱卯撂沼键瑰鞘提烛一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202441张星元：发酵学原理根据工业发酵的现状，把依靠化根据工业发酵的现状，把依靠化能异养型微生物合成某种最终被分泌能异养型微生物合成某种最终被分泌到胞外的初级代谢产物的工业发酵，到胞外的初级代谢产物的工业发酵，作为工业发酵的典型过程来研究，并作为工业发酵的典型过程来研究，并把代谢研究的重点放在碳的代谢上，把代谢研究的重点放在碳的代谢上，从而建立了细胞机器（发酵工厂里微从而建立了细胞机器（发酵工厂里微生物生
38、物机器）的工作的基本模式。生物生物机器）的工作的基本模式。犀明毖凝田达沃朋皮饲导券视脱虏札腕淑苫淖搁幌祥洛剪庇酿孪睦合晓囊一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202442张星元：发酵学原理微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation庐西森哑蒲甫村散遮蔫瞎分翅辜芥垂旷枯习嗣唬忧焦蚁持莫反巢植漾釉差一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202443张星元：发酵学原理典型的工业发酵典型的工业发酵1.生产者：化能异养型微生物生产者：化能异
39、养型微生物2.产品：初级代谢产物（胞内产品：初级代谢产物（胞内合成，胞外收获）合成，胞外收获）3.研究重点：碳元素代谢研究重点：碳元素代谢细胞机器的生产阶段细胞机器的生产阶段适适用用范范围围秤爪狠故宦辟阴驴邪族跑踊榴匡谊垫查私双破征纺庚夕侄趾伪禾抒汕呵葡一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202444张星元：发酵学原理模型各部分的含义模型各部分的含义椭圆：细胞机器的界面椭圆：细胞机器的界面带箭头的曲线：载流路径及代谢主流带箭头的曲线：载流路径及代谢主流1.载流路径：由跨膜进入、向心途径、载流路径：由跨膜进入、向心途径、中心途径、离心途径、跨膜逸出五段途径依中心途径
40、、离心途径、跨膜逸出五段途径依次首尾衔接而成。次首尾衔接而成。2.物质代谢流：从原料到产品的物质流物质代谢流：从原料到产品的物质流动轨迹。也可分成跨代谢网络的三大板块的动轨迹。也可分成跨代谢网络的三大板块的相应的五段代谢流。相应的五段代谢流。菇弄腐赦亲掩滦彩部虞旭罪亩庶冒狄结钓菱异呛瞬捷隘刹进镍四睫屈霓溉一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202445张星元：发酵学原理1.2.2.3微生物细胞机器的运行特点微生物细胞机器的运行特点窥蚀烬搁援妈娟诡戌歌耿吵谐粟界苗支澳冗丢惧筏途斜闸淡浇悄姨刊稼涟一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202
41、446张星元：发酵学原理微生物微生物细胞机器具有机器和细胞细胞机器具有机器和细胞的双重属性的双重属性，具体表现在，具体表现在6个方面：个方面：细胞机器有生产工业产品的能力；细胞机器有生产工业产品的能力；细胞机器必须由代谢能来驱动；细胞机器必须由代谢能来驱动；在工业生产中，细胞机器往往先后在工业生产中，细胞机器往往先后（或几乎同时）经历在线制造和在线（或几乎同时）经历在线制造和在线运行两个阶段；运行两个阶段；抒屑悟腐仟姥啸列垦示攘擂密沫弧墟唬骏囊困宵欧缨祁绑坞宅沤化鞋鲸邑一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202447张星元：发酵学原理细胞机器能在人为的条件下将其他
42、细胞机器能在人为的条件下将其他形式的能量转化为代谢能。形式的能量转化为代谢能。细胞机器开动的三部曲：遗传信息细胞机器开动的三部曲：遗传信息的激活的激活代谢途径与代谢网络的形代谢途径与代谢网络的形成成代谢物流的形成；代谢物流的形成；细胞机器的正常运行遵循自我保障细胞机器的正常运行遵循自我保障的细胞经济规律。的细胞经济规律。贿闺势嘴迟霓邪紊赤雌耿邪莽蚊图算锄斩谚钝峪死弱沫磕扁滞净咬假邵挫一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202448张星元：发酵学原理1.2.3创新思路的理论基础创新思路的理论基础 禹岂敢蔷南慕教曝欺至埂哇沁捐略坠畜岭睫泽襄吠支制腻保书契缠涸讹饮一章工
43、业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202449张星元：发酵学原理微生物细胞机器的工作模式的微生物细胞机器的工作模式的提出，把工业发酵的研究纳入研究提出，把工业发酵的研究纳入研究微生物生命活动的轨道。微生物生命活动的轨道。研究工业研究工业发酵首先要研究微生物的生命活动，发酵首先要研究微生物的生命活动，找出其规律，并应用这些规律对工找出其规律，并应用这些规律对工业发酵进行再认识，从而对未来的业发酵进行再认识，从而对未来的工业发酵做出科学的预测。工业发酵做出科学的预测。亩盟伴滚泰蒲泻恃厅哄您趣荚颓柯铁业宙切炬矛颊弗畴荤驯黔抡人滴憋怕一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产
44、线上的细胞机器7/30/202450张星元：发酵学原理我们从不同的角度研究微生物我们从不同的角度研究微生物的生命活动，把现代生物学关于伴的生命活动，把现代生物学关于伴随能量形式的转换而发生的随能量形式的转换而发生的电子流电子流动动、物质流动物质流动以及以及信息流动信息流动这三种这三种流动的观点引入发酵工程，提出了流动的观点引入发酵工程，提出了反映微生物生命运动客观规律的三反映微生物生命运动客观规律的三个基本假说：个基本假说：代谢能支撑假说代谢能支撑假说、代代谢网络假说谢网络假说和和细胞经济假说。细胞经济假说。沮哨荐沾妊古搔鸦馒弟脑炬吻船眶宿曲坟劳妹熊僻应哉瑞矮条扬滚阳项唁一章工业发酵的细胞机器
45、第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202451张星元：发酵学原理这三个假说分别认定了发酵工这三个假说分别认定了发酵工程的生物学属性，论证了生物产品程的生物学属性，论证了生物产品与其有机原料在代谢网络上联网的与其有机原料在代谢网络上联网的可能性和现实性，理出了可用来解可能性和现实性，理出了可用来解决微生物生存利益与人类的经济利决微生物生存利益与人类的经济利益之间矛盾的基本思路。益之间矛盾的基本思路。胸嗅腋誉灵恤志雁弥囊幼蔗绰较少驱旭菇旱四症锁锄银箔康技逊色蒲优绢一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202452张星元：发酵学原理在这三个假说的基础上，对发酵在
46、这三个假说的基础上，对发酵工程进行再认识，把微生物育种和微工程进行再认识，把微生物育种和微生物培养的工艺控制视为一个生物培养的工艺控制视为一个整体整体，将传统的发酵工艺与现代生物技术及将传统的发酵工艺与现代生物技术及工程学结合起来，用演绎推理的方法工程学结合起来，用演绎推理的方法做出了体现工业发酵生物学属性的若做出了体现工业发酵生物学属性的若干个应用性推理，尝试对未来的发酵干个应用性推理，尝试对未来的发酵工程做出预测。应用性推理分别是：工程做出预测。应用性推理分别是：模鞍鼻叛屉饥旺彪澎魄鸦例庙呆脱宿怀港避茨航港坐旨状愿铸贩龋说惠纬一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30
47、/202453张星元：发酵学原理物质能量转化的预测；物质能量转化的预测；细胞资产流失的预测；细胞资产流失的预测；原料与产物的预测；原料与产物的预测；新过程参数的预测；新过程参数的预测；细胞机器的预测之一；细胞机器的预测之一；细胞机器的预测之二；细胞机器的预测之二；细胞机器的预测之三；细胞机器的预测之三；扩大能量流失的预测。扩大能量流失的预测。凤倡灿粱迎岂英劝们廖嘎市啊十杀秘神头隅乙双讲妄聚娜拔煮蕊吨厂咏赦一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202454张星元：发酵学原理前述的三个基本假说和若前述的三个基本假说和若干个应用性推理（预测）不但干个应用性推理（预测）不但
48、孕育了微生物细胞机器的创新孕育了微生物细胞机器的创新思路，而且为工业发酵的生物思路，而且为工业发酵的生物学原理构建了理论框架。学原理构建了理论框架。庶袱好荤碰歇拔韦嗓啥二设滚辰熟赡幂盆尉经倒榨承燕膝鲤势胚剿厦稽虫一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202455张星元：发酵学原理发酵原理的大门已发酵原理的大门已为你敞开，路，要靠你为你敞开，路，要靠你自己走。自己走。“ “ 地上本没有地上本没有路，走的人多了，也便路，走的人多了，也便成了路。成了路。”喝让帧豪诵初藏随财内快台打谰毗询冻线油完惟栋驾如违霍挛舅淘酣躯厢一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机
49、器7/30/202456张星元：发酵学原理复习题复习题1.1.微生物细胞机器的概念是怎样形成的？微生物细胞机器的概念是怎样形成的？2.2.为什么把微生物细胞作为一个系统来看待为什么把微生物细胞作为一个系统来看待？ 微生物细胞是个什么样的系统？微生物细胞是个什么样的系统？3.3.微生物细胞有什么不同于动物植物的基本微生物细胞有什么不同于动物植物的基本性能？性能？4.4.为什么要建立微生物细胞机器的工作模式为什么要建立微生物细胞机器的工作模式？ 请对这个工作模式作简单解释。请对这个工作模式作简单解释。5.5.为什么说三个基本假说是反映微生物生命为什么说三个基本假说是反映微生物生命运动客观规律的基本假说，而不把它指认为运动客观规律的基本假说，而不把它指认为微生物细胞机器的基本假说？微生物细胞机器的基本假说？戍恬息屹叔呀稍翁哼畔塌蒜蚜掷篙讽煌拿早昼丰告丧携响绪澜邹梗八惨浚一章工业发酵的细胞机器第一章 工业发酵生产线上的细胞机器7/30/202457张星元：发酵学原理
