正在進(jìn)行時(shí)--發(fā)酵工藝控制要述

葉赫娜蘭孤城

第四講，第三節(jié)----復(fù)雜系特點(diǎn)，在發(fā)酵行業(yè)的具體體現(xiàn)       

葉赫娜蘭孤城

開講之前，首先感謝諸位對(duì)課程的關(guān)注，并特別感謝的是王統(tǒng)石先生和字母哥。

今天，我和我們系的研究生提到一個(gè)話題，就是理工科中，工藝的思維類型，大致分為兩類，一類是推理（或計(jì)算）型，是描述型----這個(gè)在前面已經(jīng)講過一遍了，在樣本的分類----均質(zhì)樣本（無個(gè)體樣本），小樣本和大樣本，其中，大樣本，也就是發(fā)酵的樣本，使用的分析方式，就是描述型控制的操作特征，就是“檢測(cè)-分析-反饋”體系使用時(shí)密集取點(diǎn)和對(duì)同一個(gè)過程進(jìn)行多參數(shù)同時(shí)，重復(fù)描述。其原因，是因?yàn)檎麄€(gè)工業(yè)控制，包括機(jī)械制造和化工，都是建立在一個(gè)既定技巧上的，這個(gè)技巧，就是經(jīng)驗(yàn)公式的建立。
理論上講，在連續(xù)且可導(dǎo)的過程中，應(yīng)用分段法，總是可以建立經(jīng)驗(yàn)公式的，在某一固定階段，常見經(jīng)驗(yàn)公式以以下形式存在：
F(x)=am(x)+bn(x)+co(x)+---+k
其中，k為常數(shù)項(xiàng)，a,b,c---為系數(shù)。
而由于大樣本雖然在連續(xù)和可導(dǎo)性上，向均質(zhì)樣本回歸，但是，在回歸過程中，由于復(fù)雜系本身具有測(cè)不準(zhǔn)的特性，使得經(jīng)驗(yàn)方程的常數(shù)項(xiàng)和系數(shù)穩(wěn)定性丟失（常數(shù)項(xiàng)變成了包含有隨機(jī)因素和概率在內(nèi)，含有中斷點(diǎn)的超越函數(shù)，而系數(shù)也由常數(shù)變成了復(fù)雜函數(shù)），這就造成了每一次生產(chǎn)過程就是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的新的經(jīng)驗(yàn)方程，使得套用推理或計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)方程，實(shí)際上失去了指導(dǎo)生產(chǎn)的意義，而必須用描述，或，盡可能去描述的方式進(jìn)行控制。這就是為什么進(jìn)行密集取點(diǎn)，多平行參數(shù)控制的實(shí)質(zhì)。
在工作中，要雜糅理工科機(jī)械的思維模式和近似于藝術(shù)的非量化的思維模式，來對(duì)復(fù)雜系的實(shí)質(zhì)與檢測(cè)手段相對(duì)機(jī)械之間進(jìn)行彌合----華東理工和無錫輕工，往往說“發(fā)酵是一門藝術(shù)而不是一門技術(shù)”，原因也在于此。
而我，我不強(qiáng)調(diào)技術(shù)和藝術(shù)的區(qū)別，我會(huì)說，你看到了什么，永遠(yuǎn)要問自己，你看到了什么?？捶ㄊ堑谝晃坏?，所謂作法，是看法最微不足道的延伸----這就是描述型控制的特點(diǎn)。
那么，怎么看？
虞世南說得好，“居高聲自遠(yuǎn)，非是藉秋風(fēng)！”您得先站高了看，站高了，怎么看？看不清啊，沒關(guān)系，給，我給您望遠(yuǎn)鏡----軍用的，還帶標(biāo)尺呢，方便吧。站不高，或站高了卻不用望遠(yuǎn)鏡，您是看不見的，您看機(jī)械制造用費(fèi)爾巴哈的形而上學(xué)就夠了，您看化工合成，用恩格斯的自然辯證法也就夠了，您看發(fā)酵，對(duì)不起，他們沒給您準(zhǔn)備望遠(yuǎn)鏡----但是沒關(guān)系，他們不給，我給。
這是我開拓一下大家哲學(xué)思路的原因----而且，我的觀點(diǎn)，描述居多，推理并不是我建立體系的技法---沒辦法，我是搞發(fā)酵的，發(fā)酵的特征，就是描述。
以前，我給研究生上課時(shí)，常說，給本科生上課，我有義務(wù)讓學(xué)生聽懂，而對(duì)你們，對(duì)研究生，就不同了，我有權(quán)利不必讓每個(gè)學(xué)生聽懂，而你們卻有義務(wù)聽懂我在說什么----我和華東理工不同，我不證明誰對(duì)誰錯(cuò)，我和無錫輕工不同，我也不證明----也許我們?nèi)叶紝?duì)，也許我們都錯(cuò)，也許有對(duì)有錯(cuò)，這你得自己推理---我不是沒有，但我不講，為什么，因?yàn)槟銈兪浅赡耆?，你們不是還沒畢業(yè)的本科生。
那這次講座呢，看我講座的，沒畢業(yè)的本科生不占多數(shù)吧。
雖然如此，我還是做了嚴(yán)密的論述----基本就是從高中水平講起，略微用到大一的微積分，只要用心，每個(gè)大一以上學(xué)歷的同學(xué)，都能聽懂----如果不懂，請(qǐng)重新閱讀，并請(qǐng)閱讀發(fā)酵生理學(xué)，發(fā)酵過程控制方面的參考書，書目我就不列了----畢竟能寫得出的這類書，和寫這類書的人，都不多。
以上算是建議，下面正式展開。

gufengyl

葉赫娜蘭孤城 發(fā)表于 2013-1-14 23:18
開講之前，首先感謝諸位對(duì)課程的關(guān)注，并特別感謝的是王統(tǒng)石先生和字母哥。

今天，我和我們系的研究生提 ...

沒想到先生語言這么幽默。

冬夜里，先生辛苦了。

操作失誤，占用樓層，抱歉！

葉赫娜蘭孤城

第一，        結(jié)構(gòu)性在發(fā)酵過程上的體現(xiàn)
第二，        全息性在發(fā)酵過程上的體現(xiàn)
第三，        自組織自起源
第四，        累加效應(yīng)
分別描述。

葉赫娜蘭孤城

第一，        結(jié)構(gòu)性在發(fā)酵過程上的體現(xiàn)
我們知道，在最大母體系中，結(jié)構(gòu)是與功能對(duì)應(yīng)的，是存在的形式。而結(jié)構(gòu)性的體現(xiàn)，就是，（在簡(jiǎn)單上看）當(dāng)元素（或低級(jí)結(jié)構(gòu)，或相對(duì)于更高級(jí)母體系的子體系）構(gòu)成上一級(jí)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的作用，會(huì)出現(xiàn)“新”的功能，而體現(xiàn)出1+1大于2的表觀現(xiàn)象。
上文已經(jīng)論述，實(shí)際上這種現(xiàn)象，是母體系再分解為低級(jí)體系時(shí)，由于結(jié)構(gòu)“破壞”----其實(shí)是結(jié)構(gòu)在時(shí)間軸上，由顯性轉(zhuǎn)化為隱性---時(shí)，相對(duì)功能的喪失或隱化。實(shí)際上，簡(jiǎn)單不可以累加得到復(fù)雜，復(fù)雜不可以拆分得到簡(jiǎn)單。雖然如此，我們還是用這個(gè)“1+1大于2”的描述方式（當(dāng)然我們要知道這個(gè)方向是錯(cuò)的----實(shí)際上，任何子體系，都是人為“分割”的最大母體系，或最大母體系的一部分，而實(shí)際上最大母體系又是不可分割的。用這種視點(diǎn)。而不是，由小體系堆積累加成為最大母體系。）來看一看，當(dāng)細(xì)胞累加時(shí)，一旦形成結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了什么新的功能。
細(xì)胞群，完全一樣的DNA，只不過存在有不同的年齡段的細(xì)胞群，在發(fā)酵罐中，是不是一盤散沙呢？
發(fā)酵罐，有補(bǔ)料，有調(diào)控，有進(jìn)風(fēng)--- ---
細(xì)胞，完全同一個(gè)克隆，不同代謝狀態(tài)，有幼年，有成年，有老年，有垂死，有新生---
體積固定，攪拌轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定，粘度變化連續(xù)，其他參數(shù)變化連續(xù)，不僅連續(xù)，而且可導(dǎo)---
這時(shí)，完全沒有物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白來區(qū)分，更沒有DNA來決定任何調(diào)控蛋白，但是，不同代謝狀態(tài)的不同年齡段的細(xì)胞，產(chǎn)生代謝分類---雖然攪拌在一起，卻產(chǎn)生了類似高等生物生理學(xué)方面的反應(yīng)。
這是發(fā)酵生理學(xué)賴以成立的原因----實(shí)際上，微生物是一個(gè)描述定義，微生物的外沿很模糊，而對(duì)微生物最“靠譜”或最嚴(yán)格一點(diǎn)的定義，就是沒有組織分化的生物（實(shí)際上有例外的），那么，聯(lián)組織分化都沒有的生物，肯定沒有器官，沒有系統(tǒng)，也肯定沒有真正的“生理學(xué)”。
但是，一旦把細(xì)胞困守在固定空間，使胞外酶共同作用，則出現(xiàn)“準(zhǔn)生理”現(xiàn)象，并且在一定限度內(nèi)進(jìn)行著自我調(diào)控。而發(fā)酵過程工程師，就是通過這種對(duì)生理參數(shù)的理解和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過程的控制。
這就是發(fā)酵的結(jié)構(gòu)性特征。

葉赫娜蘭孤城

這個(gè)特征的奇特之處在于，沒有傳統(tǒng)或經(jīng)典意義上的“物質(zhì)基礎(chǔ)”---沒有蛋白和DNA 決定這種準(zhǔn)生理現(xiàn)象和它的自我調(diào)控。
其實(shí)物質(zhì)基礎(chǔ)還是有的，我們?nèi)绻僖淮螐?qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)，則，不同菌齡的細(xì)胞實(shí)際上由于代謝模式不同形成了結(jié)構(gòu)。而發(fā)酵罐體積和攪拌線速度及進(jìn)風(fēng)形成的氣液固膠四相體系，也是形成結(jié)構(gòu)的因素。這兩個(gè)原因還存在著互相加強(qiáng)的作用，這就使準(zhǔn)生理現(xiàn)象發(fā)生了。
理解了這一點(diǎn)，就使得發(fā)酵過程“活”起來了，可以在生理參數(shù)的角度，對(duì)過程進(jìn)行監(jiān)控。
另外，補(bǔ)充一點(diǎn)，是不是高等動(dòng)物的生理調(diào)控中，調(diào)控蛋白也不是必須的呢----蛋白是調(diào)控得以順利實(shí)施的條件，而不是調(diào)控存在與否的條件----在調(diào)控蛋白被進(jìn)化好以前，比較原始的調(diào)控已經(jīng)存在了。調(diào)控蛋白的起源，就是原始的調(diào)控----這樣，調(diào)控蛋白，實(shí)際上是“調(diào)控”這個(gè)復(fù)雜系的構(gòu)成部分----它的起源，就是起源于調(diào)控本身了----著就符合自起源，自組織的特點(diǎn)了。我不懂高等生物，只是推測(cè)，沒有能力展開，見諒，下面回到發(fā)酵，回到微生物。

葉赫娜蘭孤城

第二，        全息性在發(fā)酵過程上的體現(xiàn)
前面已經(jīng)講過，其實(shí)在復(fù)雜系中，所有特征實(shí)際上只不過是復(fù)雜系，即最大母體系的唯一特點(diǎn)的不同角度描述而已，特點(diǎn)只有一個(gè)。那么，復(fù)雜系的全息性，也即其體系套體系的構(gòu)成方式，實(shí)際上，就是結(jié)構(gòu)性的另一個(gè)描述方式。則，在上面發(fā)酵的結(jié)構(gòu)性上，已經(jīng)體現(xiàn)有全息性。
全息性的特點(diǎn)，是大小體系復(fù)雜相套---不僅僅母體系包含子體系，其實(shí)，子體系也包含有母體系，在體系中，任何真正分離的個(gè)體或部分是不存在的。
在處理發(fā)酵工藝問題時(shí)，我們會(huì)說，“所有不可以在局部解決的局部問題都是更大范圍內(nèi)的全局問題”，這就是全息性的一個(gè)表現(xiàn)。
全息性在發(fā)酵上最直接的表現(xiàn)就是密集采點(diǎn)，多參數(shù)描述描述同一過程，則整個(gè)復(fù)雜系的代謝過程可以被描述或，可以被猜測(cè)----雖然，實(shí)際上，由于復(fù)雜系測(cè)不準(zhǔn)原則，真實(shí)不可以被精準(zhǔn)描述，但是，也由于復(fù)雜系中，任何明確視點(diǎn)下的描述都不可能完全錯(cuò)誤，則利用全息性原則，在更好利用多參數(shù)描述同一過程的方法下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過程相對(duì)準(zhǔn)確的描述和把握。這是全息性的應(yīng)用。
全息性在發(fā)酵的另一個(gè)應(yīng)用是，由于子體系與母體系的關(guān)系（如上說述），則，利用全息性，可以通過宏觀調(diào)控，實(shí)現(xiàn)微觀目的----即，通過生理水平的，對(duì)整個(gè)發(fā)酵罐的參數(shù)調(diào)節(jié)，來控制細(xì)胞，亞細(xì)胞水平代謝，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目的，通過生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞形態(tài)的調(diào)控，而后實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目的。
在這個(gè)過程中，特別要注意菌齡整齊----明確分化的細(xì)胞群，是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的關(guān)鍵，也是凸顯出全息性的關(guān)鍵----其實(shí)，下文要談到的累加效應(yīng)，也是結(jié)構(gòu)和全息性的另一方面----實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)累加時(shí)，也需要菌齡整齊。
這是一通具通的。

葉赫娜蘭孤城

第三，        自組織自起源
關(guān)于自組織自起源問題，其實(shí)前面講述自組織時(shí)，就是用的微生物細(xì)胞做實(shí)例?，F(xiàn)存所有微生物細(xì)胞，或，甚至于所有細(xì)胞，并不是最早那個(gè)細(xì)胞的“后代”那么簡(jiǎn)單----所有活著的細(xì)胞或活過的細(xì)胞或尚未活著的細(xì)胞，實(shí)際上都是最早那個(gè)或，那些細(xì)胞它們本身----您沒法對(duì)二分分裂的細(xì)胞分出哪一個(gè)是母代，哪一個(gè)是子代，而非營(yíng)二分分裂的細(xì)胞，其繁殖或分裂過程（包括有性生殖），也都可以看做是二分分裂的改進(jìn)或變異或二分分裂中一種形式。
而事實(shí)上，即便是所謂最早的一部分細(xì)胞，它們的代謝形式，有可能在細(xì)胞膜圍成球狀之前，就已經(jīng)完善著進(jìn)行了----細(xì)胞形態(tài)，與前細(xì)胞形態(tài)，已經(jīng)是可以統(tǒng)一到某個(gè)整體代謝中，則細(xì)胞必起源于前細(xì)胞形態(tài)，則必起源于細(xì)胞與前細(xì)胞形態(tài)共同屬于的那個(gè)更加本質(zhì)的生命中----細(xì)胞，任何細(xì)胞，包括世界第一代細(xì)胞，都是自起源的。
自起源必然帶來自組織。
一粒種子，長(zhǎng)成一棵大樹，需要澆水，呵護(hù)，但是，它不需要你來塑造的----它本身就能長(zhǎng)成一棵樹的----這就是自組織過程。
發(fā)酵的自組織性，除了細(xì)胞水平，還體現(xiàn)在細(xì)胞群體會(huì)自發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)生理代謝上----這一點(diǎn)統(tǒng)一于結(jié)構(gòu)性和全息性。那么，這種準(zhǔn)生理的宏觀代謝，也會(huì)是自起源的嗎？在有發(fā)酵工藝，有發(fā)酵罐把純培養(yǎng)“關(guān)”到發(fā)酵罐里之前，難道就有這個(gè)準(zhǔn)生理現(xiàn)象嗎？
回答是肯定的----問題的關(guān)鍵不在于準(zhǔn)生理現(xiàn)象在有發(fā)酵罐之前有沒有，而在于，準(zhǔn)生理現(xiàn)象，甚至生理現(xiàn)象，能不能看做是一群DNA完全一樣的細(xì)胞群在一起代謝時(shí)的一個(gè)內(nèi)在要求---這就是細(xì)胞，復(fù)雜系本身的特征。
則，進(jìn)化的動(dòng)力就好理解了----雖然微生物不講進(jìn)化----太混亂，太復(fù)雜，路線交叉點(diǎn)太多----但，組織分化的內(nèi)在原因也就解決了。------進(jìn)化成組織，并不是隨機(jī)突變產(chǎn)生了調(diào)控蛋白，進(jìn)化成組織，是細(xì)胞這個(gè)復(fù)雜系的內(nèi)在要求。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)自組織原則，或，為了自組織更加有效和精準(zhǔn)，才進(jìn)化出調(diào)控蛋白來保障組織分化。
這樣，高等生物與微生物就沒有了不可逾越的鴻溝----其實(shí)本來也沒有。
我們就可以在宏觀上更好的理解微生物了。
這就是自組織，自起源----其實(shí)也是結(jié)構(gòu)性和全息性。

葉赫娜蘭孤城

第四，        累加效應(yīng)
累加效應(yīng)在前面已經(jīng)比較全面的論述和描述了，在這兒直接講結(jié)論。
累加效應(yīng)最直接的作用，是發(fā)酵上，出于對(duì)工業(yè)的成本的精準(zhǔn)控制，或，出于對(duì)產(chǎn)量的苛求，給菌種或細(xì)胞純度提出了超越基因水平的要求。
一般的，菌種保藏，只要DNA沒變化，就認(rèn)為沒退化---所謂保藏水平的復(fù)壯，就是淘汰突變細(xì)胞。但是，生產(chǎn)菌種，就沒有這么簡(jiǎn)單。
按照一般發(fā)酵企業(yè)組織形式，總公司最少有兩個(gè)菌種庫，而每個(gè)車間，或，每個(gè)子公司，都會(huì)擁有自己的菌種室。發(fā)酵過程不會(huì)對(duì)總公司的菌種庫提出要求，那是菌種室的事。不過，過程工程會(huì)對(duì)隸屬于車間的菌種室提出相當(dāng)苛刻的要求，就是代謝純菌種，或蛋白純菌種。
進(jìn)入生產(chǎn)的細(xì)胞，不僅僅遺傳物質(zhì)一樣，而且，代謝路線也必須一致----一旦發(fā)生低產(chǎn)量細(xì)胞超越節(jié)點(diǎn)----這個(gè)節(jié)點(diǎn)很低的----就會(huì)造成嚴(yán)重減產(chǎn)。其原因就在于，進(jìn)入低產(chǎn)狀態(tài)的細(xì)胞，由于沒有產(chǎn)產(chǎn)品的壓力，往往會(huì)具有一點(diǎn)點(diǎn)的代謝優(yōu)勢(shì)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)相當(dāng)微弱，在開始時(shí)，甚至不被察覺。但是，由于累加效應(yīng)，很快就會(huì)成為主流，或，成為干擾主流的重大因素。
利用好累加效應(yīng)，則要求蛋白純菌種，使菌株的高產(chǎn)蛋白型成為主流，一旦這樣做了，后期調(diào)控的壓力就會(huì)相當(dāng)之輕。
加強(qiáng)累加效應(yīng)，加強(qiáng)累加效應(yīng)的振幅，其技巧之一，也還是菌齡整齊，以便形成強(qiáng)有力的“共振”。
另外，累加效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用還體現(xiàn)在，發(fā)酵過程工程師基本調(diào)控任務(wù)，或，其調(diào)控的實(shí)質(zhì)，或，決定其水平高低的關(guān)鍵，就在于，用宏觀手段，去除中間代謝產(chǎn)物及副產(chǎn)物造成的反饋抑制。其實(shí)，就是消減負(fù)面的累加效應(yīng)對(duì)過程的影響，以得到更高的產(chǎn)量。
任何工藝手段和目的，都要考慮到累加效應(yīng)的實(shí)實(shí)在在的存在----比如，甚至發(fā)酵后期，應(yīng)用延長(zhǎng)手法，把殘?zhí)堑刃》肿佑袡C(jī)質(zhì)耗掉，以減少粘度等負(fù)面影響，來方便后提取工段工作----就是這么小的工藝目的，也是利用了累加效應(yīng)的。
群體代謝，本來如此。

jiazi

精辟啊精辟！