正在进行时--发酵工艺控制要述

叶赫娜兰孤城

第四讲，第三节----复杂系特点，在发酵行业的具体体现       

叶赫娜兰孤城

开讲之前，首先感谢诸位对课程的关注，并特别感谢的是王统石先生和字母哥。

今天，我和我们系的研究生提到一个话题，就是理工科中，工艺的思维类型，大致分为两类，一类是推理（或计算）型，是描述型----这个在前面已经讲过一遍了，在样本的分类----均质样本（无个体样本），小样本和大样本，其中，大样本，也就是发酵的样本，使用的分析方式，就是描述型控制的操作特征，就是“检测-分析-反馈”体系使用时密集取点和对同一个过程进行多参数同时，重复描述。其原因，是因为整个工业控制，包括机械制造和化工，都是建立在一个既定技巧上的，这个技巧，就是经验公式的建立。
理论上讲，在连续且可导的过程中，应用分段法，总是可以建立经验公式的，在某一固定阶段，常见经验公式以以下形式存在：
F(x)=am(x)+bn(x)+co(x)+---+k
其中，k为常数项，a,b,c---为系数。
而由于大样本虽然在连续和可导性上，向均质样本回归，但是，在回归过程中，由于复杂系本身具有测不准的特性，使得经验方程的常数项和系数稳定性丢失（常数项变成了包含有随机因素和概率在内，含有中断点的超越函数，而系数也由常数变成了复杂函数），这就造成了每一次生产过程就是一个相对独立的新的经验方程，使得套用推理或计算得到的经验方程，实际上失去了指导生产的意义，而必须用描述，或，尽可能去描述的方式进行控制。这就是为什么进行密集取点，多平行参数控制的实质。
在工作中，要杂糅理工科机械的思维模式和近似于艺术的非量化的思维模式，来对复杂系的实质与检测手段相对机械之间进行弥合----华东理工和无锡轻工，往往说“发酵是一门艺术而不是一门技术”，原因也在于此。
而我，我不强调技术和艺术的区别，我会说，你看到了什么，永远要问自己，你看到了什么。看法是第一位的，所谓作法，是看法最微不足道的延伸----这就是描述型控制的特点。
那么，怎么看？
虞世南说得好，“居高声自远，非是藉秋风！”您得先站高了看，站高了，怎么看？看不清啊，没关系，给，我给您望远镜----军用的，还带标尺呢，方便吧。站不高，或站高了却不用望远镜，您是看不见的，您看机械制造用费尔巴哈的形而上学就够了，您看化工合成，用恩格斯的自然辩证法也就够了，您看发酵，对不起，他们没给您准备望远镜----但是没关系，他们不给，我给。
这是我开拓一下大家哲学思路的原因----而且，我的观点，描述居多，推理并不是我建立体系的技法---没办法，我是搞发酵的，发酵的特征，就是描述。
以前，我给研究生上课时，常说，给本科生上课，我有义务让学生听懂，而对你们，对研究生，就不同了，我有权利不必让每个学生听懂，而你们却有义务听懂我在说什么----我和华东理工不同，我不证明谁对谁错，我和无锡轻工不同，我也不证明----也许我们三家都对，也许我们都错，也许有对有错，这你得自己推理---我不是没有，但我不讲，为什么，因为你们是成年人，你们不是还没毕业的本科生。
那这次讲座呢，看我讲座的，没毕业的本科生不占多数吧。
虽然如此，我还是做了严密的论述----基本就是从高中水平讲起，略微用到大一的微积分，只要用心，每个大一以上学历的同学，都能听懂----如果不懂，请重新阅读，并请阅读发酵生理学，发酵过程控制方面的参考书，书目我就不列了----毕竟能写得出的这类书，和写这类书的人，都不多。
以上算是建议，下面正式展开。

gufengyl

叶赫娜兰孤城 发表于 2013-1-14 23:18
开讲之前，首先感谢诸位对课程的关注，并特别感谢的是王统石先生和字母哥。

今天，我和我们系的研究生提 ...

没想到先生语言这么幽默。

冬夜里，先生辛苦了。

操作失误，占用楼层，抱歉！

叶赫娜兰孤城

第一，        结构性在发酵过程上的体现
第二，        全息性在发酵过程上的体现
第三，        自组织自起源
第四，        累加效应
分别描述。

叶赫娜兰孤城

第一，        结构性在发酵过程上的体现
我们知道，在最大母体系中，结构是与功能对应的，是存在的形式。而结构性的体现，就是，（在简单上看）当元素（或低级结构，或相对于更高级母体系的子体系）构成上一级时，由于结构的作用，会出现“新”的功能，而体现出1+1大于2的表观现象。
上文已经论述，实际上这种现象，是母体系再分解为低级体系时，由于结构“破坏”----其实是结构在时间轴上，由显性转化为隐性---时，相对功能的丧失或隐化。实际上，简单不可以累加得到复杂，复杂不可以拆分得到简单。虽然如此，我们还是用这个“1+1大于2”的描述方式（当然我们要知道这个方向是错的----实际上，任何子体系，都是人为“分割”的最大母体系，或最大母体系的一部分，而实际上最大母体系又是不可分割的。用这种视点。而不是，由小体系堆积累加成为最大母体系。）来看一看，当细胞累加时，一旦形成结构或准结构，产生了什么新的功能。
细胞群，完全一样的DNA，只不过存在有不同的年龄段的细胞群，在发酵罐中，是不是一盘散沙呢？
发酵罐，有补料，有调控，有进风--- ---
细胞，完全同一个克隆，不同代谢状态，有幼年，有成年，有老年，有垂死，有新生---
体积固定，搅拌转速相对稳定，粘度变化连续，其他参数变化连续，不仅连续，而且可导---
这时，完全没有物质基础，没有蛋白来区分，更没有DNA来决定任何调控蛋白，但是，不同代谢状态的不同年龄段的细胞，产生代谢分类---虽然搅拌在一起，却产生了类似高等生物生理学方面的反应。
这是发酵生理学赖以成立的原因----实际上，微生物是一个描述定义，微生物的外沿很模糊，而对微生物最“靠谱”或最严格一点的定义，就是没有组织分化的生物（实际上有例外的），那么，联组织分化都没有的生物，肯定没有器官，没有系统，也肯定没有真正的“生理学”。
但是，一旦把细胞困守在固定空间，使胞外酶共同作用，则出现“准生理”现象，并且在一定限度内进行着自我调控。而发酵过程工程师，就是通过这种对生理参数的理解和控制，实现对发酵过程的控制。
这就是发酵的结构性特征。

叶赫娜兰孤城

这个特征的奇特之处在于，没有传统或经典意义上的“物质基础”---没有蛋白和DNA 决定这种准生理现象和它的自我调控。
其实物质基础还是有的，我们如果再一次强调结构，则，不同菌龄的细胞实际上由于代谢模式不同形成了结构。而发酵罐体积和搅拌线速度及进风形成的气液固胶四相体系，也是形成结构的因素。这两个原因还存在着互相加强的作用，这就使准生理现象发生了。
理解了这一点，就使得发酵过程“活”起来了，可以在生理参数的角度，对过程进行监控。
另外，补充一点，是不是高等动物的生理调控中，调控蛋白也不是必须的呢----蛋白是调控得以顺利实施的条件，而不是调控存在与否的条件----在调控蛋白被进化好以前，比较原始的调控已经存在了。调控蛋白的起源，就是原始的调控----这样，调控蛋白，实际上是“调控”这个复杂系的构成部分----它的起源，就是起源于调控本身了----着就符合自起源，自组织的特点了。我不懂高等生物，只是推测，没有能力展开，见谅，下面回到发酵，回到微生物。

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第二，        全息性在发酵过程上的体现
前面已经讲过，其实在复杂系中，所有特征实际上只不过是复杂系，即最大母体系的唯一特点的不同角度描述而已，特点只有一个。那么，复杂系的全息性，也即其体系套体系的构成方式，实际上，就是结构性的另一个描述方式。则，在上面发酵的结构性上，已经体现有全息性。
全息性的特点，是大小体系复杂相套---不仅仅母体系包含子体系，其实，子体系也包含有母体系，在体系中，任何真正分离的个体或部分是不存在的。
在处理发酵工艺问题时，我们会说，“所有不可以在局部解决的局部问题都是更大范围内的全局问题”，这就是全息性的一个表现。
全息性在发酵上最直接的表现就是密集采点，多参数描述描述同一过程，则整个复杂系的代谢过程可以被描述或，可以被猜测----虽然，实际上，由于复杂系测不准原则，真实不可以被精准描述，但是，也由于复杂系中，任何明确视点下的描述都不可能完全错误，则利用全息性原则，在更好利用多参数描述同一过程的方法下，可以实现对过程相对准确的描述和把握。这是全息性的应用。
全息性在发酵的另一个应用是，由于子体系与母体系的关系（如上说述），则，利用全息性，可以通过宏观调控，实现微观目的----即，通过生理水平的，对整个发酵罐的参数调节，来控制细胞，亚细胞水平代谢，以实现生产目的，通过生理参数，实现对细胞形态的调控，而后实现细胞代谢调控，以实现生产目的。
在这个过程中，特别要注意菌龄整齐----明确分化的细胞群，是加强结构性的关键，也是凸显出全息性的关键----其实，下文要谈到的累加效应，也是结构和全息性的另一方面----实现加强累加时，也需要菌龄整齐。
这是一通具通的。

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第三，        自组织自起源
关于自组织自起源问题，其实前面讲述自组织时，就是用的微生物细胞做实例。现存所有微生物细胞，或，甚至于所有细胞，并不是最早那个细胞的“后代”那么简单----所有活着的细胞或活过的细胞或尚未活着的细胞，实际上都是最早那个或，那些细胞它们本身----您没法对二分分裂的细胞分出哪一个是母代，哪一个是子代，而非营二分分裂的细胞，其繁殖或分裂过程（包括有性生殖），也都可以看做是二分分裂的改进或变异或二分分裂中一种形式。
而事实上，即便是所谓最早的一部分细胞，它们的代谢形式，有可能在细胞膜围成球状之前，就已经完善着进行了----细胞形态，与前细胞形态，已经是可以统一到某个整体代谢中，则细胞必起源于前细胞形态，则必起源于细胞与前细胞形态共同属于的那个更加本质的生命中----细胞，任何细胞，包括世界第一代细胞，都是自起源的。
自起源必然带来自组织。
一粒种子，长成一棵大树，需要浇水，呵护，但是，它不需要你来塑造的----它本身就能长成一棵树的----这就是自组织过程。
发酵的自组织性，除了细胞水平，还体现在细胞群体会自发产生准生理代谢上----这一点统一于结构性和全息性。那么，这种准生理的宏观代谢，也会是自起源的吗？在有发酵工艺，有发酵罐把纯培养“关”到发酵罐里之前，难道就有这个准生理现象吗？
回答是肯定的----问题的关键不在于准生理现象在有发酵罐之前有没有，而在于，准生理现象，甚至生理现象，能不能看做是一群DNA完全一样的细胞群在一起代谢时的一个内在要求---这就是细胞，复杂系本身的特征。
则，进化的动力就好理解了----虽然微生物不讲进化----太混乱，太复杂，路线交叉点太多----但，组织分化的内在原因也就解决了。------进化成组织，并不是随机突变产生了调控蛋白，进化成组织，是细胞这个复杂系的内在要求。为了实现这个自组织原则，或，为了自组织更加有效和精准，才进化出调控蛋白来保障组织分化。
这样，高等生物与微生物就没有了不可逾越的鸿沟----其实本来也没有。
我们就可以在宏观上更好的理解微生物了。
这就是自组织，自起源----其实也是结构性和全息性。

叶赫娜兰孤城

第四，        累加效应
累加效应在前面已经比较全面的论述和描述了，在这儿直接讲结论。
累加效应最直接的作用，是发酵上，出于对工业的成本的精准控制，或，出于对产量的苛求，给菌种或细胞纯度提出了超越基因水平的要求。
一般的，菌种保藏，只要DNA没变化，就认为没退化---所谓保藏水平的复壮，就是淘汰突变细胞。但是，生产菌种，就没有这么简单。
按照一般发酵企业组织形式，总公司最少有两个菌种库，而每个车间，或，每个子公司，都会拥有自己的菌种室。发酵过程不会对总公司的菌种库提出要求，那是菌种室的事。不过，过程工程会对隶属于车间的菌种室提出相当苛刻的要求，就是代谢纯菌种，或蛋白纯菌种。
进入生产的细胞，不仅仅遗传物质一样，而且，代谢路线也必须一致----一旦发生低产量细胞超越节点----这个节点很低的----就会造成严重减产。其原因就在于，进入低产状态的细胞，由于没有产产品的压力，往往会具有一点点的代谢优势，这个优势相当微弱，在开始时，甚至不被察觉。但是，由于累加效应，很快就会成为主流，或，成为干扰主流的重大因素。
利用好累加效应，则要求蛋白纯菌种，使菌株的高产蛋白型成为主流，一旦这样做了，后期调控的压力就会相当之轻。
加强累加效应，加强累加效应的振幅，其技巧之一，也还是菌龄整齐，以便形成强有力的“共振”。
另外，累加效应的实际应用还体现在，发酵过程工程师基本调控任务，或，其调控的实质，或，决定其水平高低的关键，就在于，用宏观手段，去除中间代谢产物及副产物造成的反馈抑制。其实，就是消减负面的累加效应对过程的影响，以得到更高的产量。
任何工艺手段和目的，都要考虑到累加效应的实实在在的存在----比如，甚至发酵后期，应用延长手法，把残糖等小分子有机质耗掉，以减少粘度等负面影响，来方便后提取工段工作----就是这么小的工艺目的，也是利用了累加效应的。
群体代谢，本来如此。

jiazi

精辟啊精辟！