发酵工程理论框架和
发酵原理课程的创建
张星元 biozhang@163.com
江南大学生物工程学院,无锡 214036
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我国大学工科的发酵工程学科脱
胎于农学院的农产加工学科。 1952年
全国高等学校院系调整时,农学院农
业化学系的农产品加工专业曾经包含
一个叫做发酵的专业方向;农产品加
工专业从农学院划归工学院的食品工
业系,这才有了工科的发酵工程专业
方向和随后建成的发酵工程学科。从
1952年算起,我国发酵学科已有 50年
历史了。
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教育部 1998年颁布的高等学校本
科专业目录把发酵工程划归生物工程
类,肯定了发酵工程的生物学属性。
作为生物工程的最接近生产实践
的组成部分,发酵工程正在从工业向
农、牧、医、药、环保和军事等各生
物学相关领域延伸,受到社会的广泛
关注。
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汇报交流的内容:
1,发酵工程的理论创新
2,发酵原理课程的建设
3,以多样化的教学方法实现
教学相长
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1,发酵工程的理论创新
?,微生物生物机器”
?,微生物生物机器” 的双重任

?,微生物生物机器” 的工作原

? 发酵工程概念的外延
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天然存在的微生物物种是微生物
在大自然中物竞天择的阶段性的进化
成果,它们的生命活动的规律是不以
人的主观意志为转移的。天然存在的
亿万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 ——
都是它们按自身的生命活动规律进行
生存竞争的代谢过程。
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微生物具有造福于人类的巨大潜力,
人类利用微生物可以实现更多美好的理
想。然而,在发酵工业生产中人类不能
跳过微生物生命活动这个关键环节而得
到目的产物,没有微生物就没有工业发
酵。在这个意义上,人在工业发酵生产
中处于被动的地位。因此,对于工业微
生物学家和发酵工程师来说,在工业发
酵中如何争取主动始终是一个挑战性的
问题。
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从研究微生物的生命活动
规律入手,从生物学的角度重
新审视了发酵工程,形成以下
关于现代发酵工程新思路:
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( 1),微生物生物机器”,
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
是工业发酵生产线上不可缺少的
“微生物生物机器”。
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( 2),微生物生物机器” 的双重任务,
微生物生物机器与普通意义上的机器不
同,微生物生物机器必须由生物能直接驱动。
在典型的工业发酵的生产线上,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。, 在线制
造, 和, 生产运行, 应在不同的培养条
件下进行。,在线制造, 阶段要控制
,机器, ( 微生物活细胞)的数量和质量;
“生产运行” 阶段不但要保证,机器”
数量的基本稳定,还要将细胞的代谢尽量维
持在适宜于目的产物生产的状态下。
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( 3),微生物生物机器” 的工作原理,
,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。首先要建
立“微生物生物机器”的工作模型;然后有计
划地进行关于“微生物生物机器”实验研究,
通过实验研究和哲学思辨,逐步揭示, 微生物
生物机器” 工作原理,包括,微生物生物机器”
的零件制造、整机装配和维护保养原理,以及
,微生物生物机器, 的运行原理,从而创建
新的发酵工程基础理论 —— 发酵工程的生物学
理论。
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( 4) 发酵工程概念的外延,
发酵工程具有的鲜明的生物学属
性。发酵工程向生物学靠拢,以及发
酵工程概念的外延,酝酿着发酵工程
的革命性的飞跃。发酵学科不仅要为
轻工有关领域培养人才,同时要为农、
牧、医、药、环保和军事等各生物学
相关领域培养人才;发酵学科的基本
理论将成为生物学相关学科的学科交
叉的基本理论之一。
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建立创新思路的理论基础
? 反映微生物生命运动客观规律
的三个基本观点
? 体现工业发酵生物学属性的七
个应用性推理
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关于微生物生命活动的 3个基本观点
观点 1,生物能支撑的观点
生物能( bio-energy) 特指可供细胞直接利用的
能量形式。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。
观点 2,代谢网络的观点
微生物细胞是个远离平衡状态的、不平衡的开放体
系。微生物细胞的物质代谢和能量代谢,依赖于代谢网
络 (metabolic network )来实现。代谢网络横跨细胞内
外,没有绝对的起点,也没有绝对的终点。
观点 3,细胞经济的观点
在物竞天择的基础上形成的微生物代谢体系,是保
障微生物细胞生存的细胞经济体系 ( cell economy )。
细胞经济体系运行的经济调度,和细胞对环境变化的积
极响应,最终都是由细胞的遗传物质规定的。
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体现工业发酵生物学属性的八个应用性推理
? 推理一,物质、能量转化的推理
推理二,细胞资产流失的推理
推理三,原料与产物的推理
推理四,生物机器的推理(之一)
推理五,新的过程参数的推理
推理六,生物机器的推理(之二)
推理七,生物机器的推理(之三)
推理八,扩大能量流失的推理
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2,发酵原理课程的建设
? 教育部已把发酵工程划归生物工程类
?,发酵原理》课程建设在性质上属于理论和实
践相结合的创新工作
? 发酵学科成熟的一个重要标志
? 建设发酵原理课程的来龙去脉
? 对课程内容的一致认识
? 自编的《发酵原理》教材
? 自制的《发酵原理电子讲义》
?,发酵原理》被列为“十五”国家级规划教材
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发酵生产历史悠久,原始的手工作
坊式的发酵生产凭借祖先传下来的技巧
和经验生产发酵产品,体力劳动繁重,
生产规模受到限制,难以实现工业化的
生产。发酵生产与化学和化学工程的结
合促成了发酵生产的第一次飞跃。
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然而,随后的发酵生产实践
反复证明发酵的工业过程是一个
时变的(随着时间变化的)、非
线性的、多变量输入和输出的动
态过程,按照化学工程的模式来
处理发酵工业的问题,往往难以
收到预期的效果。
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目前,国内外有关发酵工程和生物
制药的科技书籍和国内的大学教材往往
沿用以往, 菌种(催化剂) —— 发酵
(化学反应) —— 提炼( 化学分离)”
的体例描述发酵工业生产,这种从化工
厂的工艺操作规程衍生出来的体例难于
体现生物工程(发酵工程)的生物学属
性。
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只有通过实验研究和哲学
思辨,对发酵工程的生物学属
性有了初步的认识,才有可能
进而建立发酵工程的生物学理
论,才能开好发酵原理课程。
因此,《发酵原理》课程建设
在性质上属于理论和实践相结
合的创新工作。
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发酵工程作为生物科学的一
个工程学分支有它自己独有的运
行规律,这些规律归属于生物学
范畴,因此发酵工程应归属于生
物工程,发酵工程的根本原理就
是其生物学原理。发酵工程的生
物学原理就是发酵原理。
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我国发酵工程学科发展到今
天,应该有它自己的核心理论课
程,而理论课程的开出在某种意
义上也将成为发酵学科成熟的一
个重要标志。
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在两门研究生课程教学的基础
上筹备本科《发酵原理》课程的教
学。经过对两届本科生的试讲和教
授会议审定,1997年秋正式向本科
生开设《发酵原理》课程,并在香
港回归前夕,内部出版了《发酵原
理》教材。
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经过五年来的教学实践及每学
期举行的研讨会的辩论和讨论,以
及哲学的思辨,工业发酵的生物学
理论正在逐步完善之中,目前已形
成论述微生物生命运动的客观规律
的 三个基本观点和针对发酵工业的
八个应用性推理。
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对发酵原理的中心内容三个基本观
点已取得如下一致的认识:生物能支撑的
观点是工业发酵运行的立足点,它规定了
工业发酵的生物学属性和微生物在发酵工
程的中心地位;代谢网络的观点表述了工
业发酵的内涵和可能的外延,它给出了发
酵工业新产品和新原料开发的大致范围,
并揭示了发酵工程的潜力;细胞经济的观
点是理解发酵工程的基本矛盾和发酵工业
生产中人与微生物的合作关系的理论基础。
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《发酵原理》课程以发酵工业
技术学为起点,抓住物质代谢和能
量代谢这两条主线动态地描述工业
发酵中微生物生命活动的过程和原
理,把发酵工程技术上升到发酵科
学的高度。
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目前,《发酵原理》已
发展成面向本科生、研究生
的发酵原理系列课程,学生
层次有本科生、硕士生、博
士生等。现已被列为普通高
等教育“十五,国家级规划教
材。
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《发酵原理电子讲义》是一部自制的
多层次学生通用的电子教材。
它以 PowerPoint 为主辅之以图画和动
画,PowerPoint的幻灯片以讲义的形式印
在书上,学生在课堂上不必忙于抄写,可
以集中精力听讲。多媒体教学信息量大,
可以省下时间来进行师生堂上对话,以加
深理解。这本电子讲义投入使用以来博士
研究生自发选课,环保方向的研究生(含
博士生 ),食品学院的研究生 ( 含博士
生)也主动增选此课程
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3,以多样化的教学方法实现教学相长
?,发酵原理》教学的价值
? 教学应该是个互动的过程
? 我们的具体做法
? 营造有利于原始创新的文化环境
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21世纪生物工业需要什么样的
人才?
如何培养世界一流的生物工程
人才?
如何设置发酵工程专业课程?
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《发酵原理》教学的价值主要体现
在:引导专攻生物工程和生命科学的学
生对以前所学到的相对零星的知识进行
梳理,并应用经过梳理的知识来建立对
发酵科学的理解,从而激发创造精神,
以及求知、实践的欲望。学生需要有丰
富的知识,更需要对科学的性质(特别
是自己所学的专业的科学性质)的正确
理解。对高层次的学生来讲更有必要通
晓科学家的思想方法和科学实践活动。
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科学的本质在于创新,大学的动力
在于创新。要创新就必须有坚实的理论
基础,因此大学师生必须从事高水平的
(最好是原创性的)学术研究,必须加
强基础理论的学习和应用。跟踪性研究
固然有利于早出经济成果,但从长计议,
更重要的应该是创新和超越。因此大学
的首要任务应该是要培养学生的独立思
考的能力和创新能力,引导学生从源头
上进入世界研究和开发的前沿。
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近年来,随着改革开放以来的经济
发展、社会进步,多样化的趋势明显加
强。大学生物工程专业不同层次的学生
身份的多样化(应届生、往届生、进修
生、在职研究生、本校在职教师等),
学术背景的多样化(工、农、医、药、
林、牧、矿、化学、生化学、生物学、
师范等),学生前修课程的多样化等等,
给教学带来了一定的难度;但如果教师
掌握得好,会给教学带来更大的生机和
活力。
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因为教学应该是个互动
的过程,教,主要是引导,
教并不是单纯的付出;学,
主要靠自己,学习不单纯向
老师学。大学是追求真理的
地方,追求真理无止境,教
学相长出成果。
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我们的具体做法是:
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( 1) 教学与科研紧密结合相互促进。
( 2) 教学内容自编自教。
( 3) 自编自制作有特色的多媒体电子教材。
( 4) 互动式的教学方法。
( 5) 注重培养学生的自学能力和表达能力
(每学期举办讨论会或辩论会或读书报告会,
鼓励采用多媒体的表达方式)
( 6) 因材施教。对不同层次的学生采用不
同的教学方法。
( 7) 鼓励思想和观点创新,鼓励争论,鼓
励发表与老师不同的意见。
( 8)把考试作为课程的最后一个教学环节,
考试方法推陈出新。
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发酵工程理论创新和发酵原理课程
建设的工作对于发酵学科的建设至关重
要,面对发酵产业的现状,在战术上进
行跟踪是可以理解的,但战略上必须强
调创新和超越,这就要求我们在理论创
新和关键课程(如发酵原理课程)的建
设上看得远一些,投入多一些,政策和
规定宽松一些。
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我国已加入 WTO,进入国
际竞争之中了。原始创新关系到
国家的安危,关系到中华民族的
存亡。我们必须努力工作,为营
造有利于原始创新的文化环境做
出自己的贡献。