發(fā)酵工程理論框架和原理課程的創(chuàng)設(shè)(武漢,20028)

發(fā)酵工程理論框架和

發(fā)酵原理課程的創(chuàng)建張星元biozhang@163.com江南大學(xué)生物工程學(xué)院，無錫214036

2002.8.171武漢生物工程教學(xué)研討會我國大學(xué)工科的發(fā)酵工程學(xué)科脫胎于農(nóng)學(xué)院的農(nóng)產(chǎn)加工學(xué)科。1952年全國高等學(xué)校院系調(diào)整時，農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)化學(xué)系的農(nóng)產(chǎn)品加工專業(yè)曾經(jīng)包含一個叫做發(fā)酵的專業(yè)方向；農(nóng)產(chǎn)品加工專業(yè)從農(nóng)學(xué)院劃歸工學(xué)院的食品工業(yè)系，這才有了工科的發(fā)酵工程專業(yè)方向和隨后建成的發(fā)酵工程學(xué)科。從1952年算起，我國發(fā)酵學(xué)科已有50年歷史了。2002.8.172武漢生物工程教學(xué)研討會教育部1998年頒布的高等學(xué)校本科專業(yè)目錄把發(fā)酵工程劃歸生物工程類，肯定了發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性。

作為生物工程的最接近生產(chǎn)實踐的組成部分，發(fā)酵工程正在從工業(yè)向農(nóng)、牧、醫(yī)、藥、環(huán)保和軍事等各生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域延伸，受到社會的廣泛關(guān)注。2002.8.173武漢生物工程教學(xué)研討會匯報交流的內(nèi)容：

1.發(fā)酵工程的理論創(chuàng)新

2.發(fā)酵原理課程的建設(shè)

3.以多樣化的教學(xué)方法實現(xiàn)

教學(xué)相長2002.8.174武漢生物工程教學(xué)研討會發(fā)酵工程的理論創(chuàng)新

“微生物生物機器”

“微生物生物機器”的雙重任務(wù)

“微生物生物機器”的工作原理

發(fā)酵工程概念的外延

2002.8.175武漢生物工程教學(xué)研討會天然存在的微生物物種是微生物在大自然中物競天擇的階段性的進(jìn)化成果，它們的生命活動的規(guī)律是不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移的。天然存在的億萬微生物物種的生命活動過程——不論是造福于人類或危害人類的——都是它們按自身的生命活動規(guī)律進(jìn)行生存競爭的代謝過程。2002.8.176武漢生物工程教學(xué)研討會

微生物具有造福于人類的巨大潛力，人類利用微生物可以實現(xiàn)更多美好的理想。然而，在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中人類不能跳過微生物生命活動這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)而得到目的產(chǎn)物，沒有微生物就沒有工業(yè)發(fā)酵。在這個意義上，人在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中處于被動的地位。因此，對于工業(yè)微生物學(xué)家和發(fā)酵工程師來說，在工業(yè)發(fā)酵中如何爭取主動始終是一個挑戰(zhàn)性的問題。2002.8.177武漢生物工程教學(xué)研討會從研究微生物的生命活動規(guī)律入手，從生物學(xué)的角度重新審視了發(fā)酵工程，形成以下關(guān)于現(xiàn)代發(fā)酵工程新思路：2002.8.178武漢生物工程教學(xué)研討會（1）“微生物生物機器”：

現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物活細(xì)胞來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上的不可缺少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個意義上，微生物活細(xì)胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上不可缺少的“微生物生物機器”。

2002.8.179武漢生物工程教學(xué)研討會（2）“微生物生物機器”的雙重任務(wù)：

微生物生物機器與普通意義上的機器不同，微生物生物機器必須由生物能直接驅(qū)動。在典型的工業(yè)發(fā)酵的生產(chǎn)線上，微生物必須完成“微生物生物機器”的“在線制造”和“生產(chǎn)運行”的雙重任務(wù)。“在線制造”和“生產(chǎn)運行”應(yīng)在不同的培養(yǎng)條件下進(jìn)行?！霸诰€制造”階段要控制“機器”（微生物活細(xì)胞）的數(shù)量和質(zhì)量；“生產(chǎn)運行”階段不但要保證“機器”數(shù)量的基本穩(wěn)定，還要將細(xì)胞的代謝盡量維持在適宜于目的產(chǎn)物生產(chǎn)的狀態(tài)下。2002.8.1710武漢生物工程教學(xué)研討會（3）“微生物生物機器”的工作原理：

“微生物生物機器”按其自身固有的規(guī)律運行，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器的工作原理。首先要建立“微生物生物機器”的工作模型；然后有計劃地進(jìn)行關(guān)于“微生物生物機器”實驗研究，通過實驗研究和哲學(xué)思辨，逐步揭示“微生物生物機器”工作原理，包括“微生物生物機器”的零件制造、整機裝配和維護(hù)保養(yǎng)原理，以及“微生物生物機器”的運行原理，從而創(chuàng)建新的發(fā)酵工程基礎(chǔ)理論——發(fā)酵工程的生物學(xué)理論。2002.8.1711武漢生物工程教學(xué)研討會（4）發(fā)酵工程概念的外延：

發(fā)酵工程具有的鮮明的生物學(xué)屬性。發(fā)酵工程向生物學(xué)靠攏，以及發(fā)酵工程概念的外延，醞釀著發(fā)酵工程的革命性的飛躍。發(fā)酵學(xué)科不僅要為輕工有關(guān)領(lǐng)域培養(yǎng)人才，同時要為農(nóng)、牧、醫(yī)、藥、環(huán)保和軍事等各生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域培養(yǎng)人才；發(fā)酵學(xué)科的基本理論將成為生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的學(xué)科交叉的基本理論之一。

2002.8.1712武漢生物工程教學(xué)研討會建立創(chuàng)新思路的理論基礎(chǔ)

反映微生物生命運動客觀規(guī)律的三個基本觀點體現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵生物學(xué)屬性的七個應(yīng)用性推理2002.8.1713武漢生物工程教學(xué)研討會關(guān)于微生物生命活動的3個基本觀點

觀點1:生物能支撐的觀點

生物能（bio-energy）特指可供細(xì)胞直接利用的能量形式。微生物細(xì)胞的生長和維持，需要其自身能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，從其它形式的能量轉(zhuǎn)化而形成的生物能來支撐。

觀點2:代謝網(wǎng)絡(luò)的觀點

微生物細(xì)胞是個遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的、不平衡的開放體系。微生物細(xì)胞的物質(zhì)代謝和能量代謝，依賴于代謝網(wǎng)絡(luò)(metabolicnetwork)來實現(xiàn)。代謝網(wǎng)絡(luò)橫跨細(xì)胞內(nèi)外，沒有絕對的起點，也沒有絕對的終點。觀點3:細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的觀點在物競天擇的基礎(chǔ)上形成的微生物代謝體系，是保障微生物細(xì)胞生存的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系（celleconomy）。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系運行的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，和細(xì)胞對環(huán)境變化的積極響應(yīng)，最終都是由細(xì)胞的遺傳物質(zhì)規(guī)定的。

2002.8.1714武漢生物工程教學(xué)研討會體現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵生物學(xué)屬性的八個應(yīng)用性推理

推理一：物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化的推理

推理二：細(xì)胞資產(chǎn)流失的推理

推理三：原料與產(chǎn)物的推理

推理四：生物機器的推理（之一）

推理五：新的過程參數(shù)的推理

推理六：生物機器的推理（之二）

推理七：生物機器的推理（之三）

推理八：擴大能量流失的推理2002.8.1715武漢生物工程教學(xué)研討會2.發(fā)酵原理課程的建設(shè)

教育部已把發(fā)酵工程劃歸生物工程類《發(fā)酵原理》課程建設(shè)在性質(zhì)上屬于理論和實踐相結(jié)合的創(chuàng)新工作發(fā)酵學(xué)科成熟的一個重要標(biāo)志建設(shè)發(fā)酵原理課程的來龍去脈對課程內(nèi)容的一致認(rèn)識自編的《發(fā)酵原理》教材自制的《發(fā)酵原理電子講義》《發(fā)酵原理》被列為“十五”國家級規(guī)劃教材2002.8.1716武漢生物工程教學(xué)研討會

發(fā)酵生產(chǎn)歷史悠久，原始的手工作坊式的發(fā)酵生產(chǎn)憑借祖先傳下來的技巧和經(jīng)驗生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，體力勞動繁重，生產(chǎn)規(guī)模受到限制，難以實現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)。發(fā)酵生產(chǎn)與化學(xué)和化學(xué)工程的結(jié)合促成了發(fā)酵生產(chǎn)的第一次飛躍。

2002.8.1717武漢生物工程教學(xué)研討會

然而，隨后的發(fā)酵生產(chǎn)實踐反復(fù)證明發(fā)酵的工業(yè)過程是一個時變的（隨著時間變化的）、非線性的、多變量輸入和輸出的動態(tài)過程，按照化學(xué)工程的模式來處理發(fā)酵工業(yè)的問題，往往難以收到預(yù)期的效果。

2002.8.1718武漢生物工程教學(xué)研討會

目前，國內(nèi)外有關(guān)發(fā)酵工程和生物制藥的科技書籍和國內(nèi)的大學(xué)教材往往沿用以往“菌種（催化劑）——發(fā)酵（化學(xué)反應(yīng)）——提煉（化學(xué)分離）”的體例描述發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)，這種從化工廠的工藝操作規(guī)程衍生出來的體例難于體現(xiàn)生物工程（發(fā)酵工程）的生物學(xué)屬性。

2002.8.1719武漢生物工程教學(xué)研討會

只有通過實驗研究和哲學(xué)思辨，對發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性有了初步的認(rèn)識，才有可能進(jìn)而建立發(fā)酵工程的生物學(xué)理論，才能開好發(fā)酵原理課程。因此，《發(fā)酵原理》課程建設(shè)在性質(zhì)上屬于理論和實踐相結(jié)合的創(chuàng)新工作。2002.8.1720武漢生物工程教學(xué)研討會

發(fā)酵工程作為生物科學(xué)的一個工程學(xué)分支有它自己獨有的運行規(guī)律，這些規(guī)律歸屬于生物學(xué)范疇，因此發(fā)酵工程應(yīng)歸屬于生物工程，發(fā)酵工程的根本原理就是其生物學(xué)原理。發(fā)酵工程的生物學(xué)原理就是發(fā)酵原理。

2002.8.1721武漢生物工程教學(xué)研討會

我國發(fā)酵工程學(xué)科發(fā)展到今天，應(yīng)該有它自己的核心理論課程，而理論課程的開出在某種意義上也將成為發(fā)酵學(xué)科成熟的一個重要標(biāo)志。2002.8.1722武漢生物工程教學(xué)研討會

在兩門研究生課程教學(xué)的基礎(chǔ)上籌備本科《發(fā)酵原理》課程的教學(xué)。經(jīng)過對兩屆本科生的試講和教授會議審定，1997年秋正式向本科生開設(shè)《發(fā)酵原理》課程，并在香港回歸前夕，內(nèi)部出版了《發(fā)酵原理》教材。

2002.8.1723武漢生物工程教學(xué)研討會經(jīng)過五年來的教學(xué)實踐及每學(xué)期舉行的研討會的辯論和討論，以及哲學(xué)的思辨，工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)理論正在逐步完善之中,目前已形成論述微生物生命運動的客觀規(guī)律的三個基本觀點和針對發(fā)酵工業(yè)的八個應(yīng)用性推理。2002.8.1724武漢生物工程教學(xué)研討會

對發(fā)酵原理的中心內(nèi)容三個基本觀點已取得如下一致的認(rèn)識：生物能支撐的觀點是工業(yè)發(fā)酵運行的立足點，它規(guī)定了工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)屬性和微生物在發(fā)酵工程的中心地位；代謝網(wǎng)絡(luò)的觀點表述了工業(yè)發(fā)酵的內(nèi)涵和可能的外延，它給出了發(fā)酵工業(yè)新產(chǎn)品和新原料開發(fā)的大致范圍，并揭示了發(fā)酵工程的潛力；細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的觀點是理解發(fā)酵工程的基本矛盾和發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中人與微生物的合作關(guān)系的理論基礎(chǔ)。2002.8.1725武漢生物工程教學(xué)研討會《發(fā)酵原理》課程以發(fā)酵工業(yè)技術(shù)學(xué)為起點，抓住物質(zhì)代謝和能量代謝這兩條主線動態(tài)地描述工業(yè)發(fā)酵中微生物生命活動的過程和原理，把發(fā)酵工程技術(shù)上升到發(fā)酵科學(xué)的高度。

2002.8.1726武漢生物工程教學(xué)研討會

目前，《發(fā)酵原理》已發(fā)展成面向本科生、研究生的發(fā)酵原理系列課程，學(xué)生層次有本科生、碩士生、博士生等?，F(xiàn)已被列為普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材。2002.8.1727武漢生物工程教學(xué)研討會

《發(fā)酵原理電子講義》是一部自制的多層次學(xué)生通用的電子教材。

它以PowerPoint為主輔之以圖畫和動畫，PowerPoint的幻燈片以講義的形式印在書上，學(xué)生在課堂上不必忙于抄寫，可以集中精力聽講。多媒體教學(xué)信息量大，可以省下時間來進(jìn)行師生堂上對話，以加深理解。這本電子講義投入使用以來博士研究生自發(fā)選課，環(huán)保方向的研究生（含博士生）、食品學(xué)院的研究生（含博士生）也主動增選此課程2002.8.1728武漢生物工程教學(xué)研討會3.以多樣化的教學(xué)方法實現(xiàn)教學(xué)相長

《發(fā)酵原理》教學(xué)的價值教學(xué)應(yīng)該是個互動的過程我們的具體做法營造有利于原始創(chuàng)新的文化環(huán)境2002.8.1729武漢生物工程教學(xué)研討會21世紀(jì)生物工業(yè)需要什么樣的人才?

如何培養(yǎng)世界一流的生物工程人才？

如何設(shè)置發(fā)酵工程專業(yè)課程？

2002.8.1730武漢生物工程教學(xué)研討會

《發(fā)酵原理》教學(xué)的價值主要體現(xiàn)在：引導(dǎo)專攻生物工程和生命科學(xué)的學(xué)生對以前所學(xué)到的相對零星的知識進(jìn)行梳理，并應(yīng)用經(jīng)過梳理的知識來建立對發(fā)酵科學(xué)的理解，從而激發(fā)創(chuàng)造精神，以及求知、實踐的欲望。學(xué)生需要有豐富的知識，更需要對科學(xué)的性質(zhì)（特別是自己所學(xué)的專業(yè)的科學(xué)性質(zhì)）的正確理解。對高層次的學(xué)生來講更有必要通曉科學(xué)家的思想方法和科學(xué)實踐活動。

2002.8.1731武漢生物工程教學(xué)研討會

科學(xué)的本質(zhì)在于創(chuàng)新，大學(xué)的動力在于創(chuàng)新。要創(chuàng)新就必須有堅實的理論基礎(chǔ)，因此大學(xué)師生必須從事高水平的（最好是原創(chuàng)性的）學(xué)術(shù)研究，必須加強基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。跟蹤性研究固然有利于早出經(jīng)濟(jì)成果，但從長計議，更重要的應(yīng)該是創(chuàng)新和超越。因此大學(xué)的首要任務(wù)應(yīng)該是要培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考的能力和創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生從源頭上進(jìn)入世界研究和開發(fā)的前沿。

2002.8.1732武漢生物工程教學(xué)研討會近年來，隨著改革開放以來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步，多樣化的趨勢明顯加強。大學(xué)生物工程專業(yè)不同層次的學(xué)生身份的多樣化（應(yīng)屆生、往屆生、進(jìn)修生、在職研究生、本校在職教師等），學(xué)術(shù)背景的多樣化（工、農(nóng)、醫(yī)、藥、林、牧、礦、化學(xué)、生化學(xué)、生物學(xué)、師范等），學(xué)生前修課程的多樣化等等，給教學(xué)帶來了一定的難度；但如果教師掌握得好，會給教學(xué)帶來更大的生機和活力。

2002.8.1733武漢生物工程教學(xué)研討會

因為教學(xué)應(yīng)該是個互動的過程，教，主要是引導(dǎo)，教并不是單純的付出；學(xué)，主要靠自己，學(xué)習(xí)不單純向老師學(xué)。大學(xué)是追求真理的地方，追求真理無止境，教學(xué)相長出成果。

2002.8.1734武漢生物工程