正在進行時--發酵工藝控制要述

葉赫娜蘭孤城

第四講，第三節----復雜系特點，在發酵行業的具體體現       

葉赫娜蘭孤城

開講之前，首先感謝諸位對課程的關注，并特別感謝的是王統石先生和字母哥。

今天，我和我們系的研究生提到一個話題，就是理工科中，工藝的思維類型，大致分為兩類，一類是推理（或計算）型，是描述型----這個在前面已經講過一遍了，在樣本的分類----均質樣本（無個體樣本），小樣本和大樣本，其中，大樣本，也就是發酵的樣本，使用的分析方式，就是描述型控制的操作特征，就是“檢測-分析-反饋”體系使用時密集取點和對同一個過程進行多參數同時，重復描述。其原因，是因為整個工業控制，包括機械制造和化工，都是建立在一個既定技巧上的，這個技巧，就是經驗公式的建立。
理論上講，在連續且可導的過程中，應用分段法，總是可以建立經驗公式的，在某一固定階段，常見經驗公式以以下形式存在：
F(x)=am(x)+bn(x)+co(x)+---+k
其中，k為常數項，a,b,c---為系數。
而由于大樣本雖然在連續和可導性上，向均質樣本回歸，但是，在回歸過程中，由于復雜系本身具有測不準的特性，使得經驗方程的常數項和系數穩定性丟失（常數項變成了包含有隨機因素和概率在內，含有中斷點的超越函數，而系數也由常數變成了復雜函數），這就造成了每一次生產過程就是一個相對獨立的新的經驗方程，使得套用推理或計算得到的經驗方程，實際上失去了指導生產的意義，而必須用描述，或，盡可能去描述的方式進行控制。這就是為什么進行密集取點，多平行參數控制的實質。
在工作中，要雜糅理工科機械的思維模式和近似于藝術的非量化的思維模式，來對復雜系的實質與檢測手段相對機械之間進行彌合----華東理工和無錫輕工，往往說“發酵是一門藝術而不是一門技術”，原因也在于此。
而我，我不強調技術和藝術的區別，我會說，你看到了什么，永遠要問自己，你看到了什么。看法是第一位的，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。
那么，怎么看？
虞世南說得好，“居高聲自遠，非是藉秋風！”您得先站高了看，站高了，怎么看？看不清啊，沒關系，給，我給您望遠鏡----軍用的，還帶標尺呢，方便吧。站不高，或站高了卻不用望遠鏡，您是看不見的，您看機械制造用費爾巴哈的形而上學就夠了，您看化工合成，用恩格斯的自然辯證法也就夠了，您看發酵，對不起，他們沒給您準備望遠鏡----但是沒關系，他們不給，我給。
這是我開拓一下大家哲學思路的原因----而且，我的觀點，描述居多，推理并不是我建立體系的技法---沒辦法，我是搞發酵的，發酵的特征，就是描述。
以前，我給研究生上課時，常說，給本科生上課，我有義務讓學生聽懂，而對你們，對研究生，就不同了，我有權利不必讓每個學生聽懂，而你們卻有義務聽懂我在說什么----我和華東理工不同，我不證明誰對誰錯，我和無錫輕工不同，我也不證明----也許我們三家都對，也許我們都錯，也許有對有錯，這你得自己推理---我不是沒有，但我不講，為什么，因為你們是成年人，你們不是還沒畢業的本科生。
那這次講座呢，看我講座的，沒畢業的本科生不占多數吧。
雖然如此，我還是做了嚴密的論述----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，每個大一以上學歷的同學，都能聽懂----如果不懂，請重新閱讀，并請閱讀發酵生理學，發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 發表于 2013-1-14 23:18
開講之前，首先感謝諸位對課程的關注，并特別感謝的是王統石先生和字母哥。

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，        結構性在發酵過程上的體現
第二，        全息性在發酵過程上的體現
第三，        自組織自起源
第四，        累加效應
分別描述。

葉赫娜蘭孤城

第一，        結構性在發酵過程上的體現
我們知道，在最大母體系中，結構是與功能對應的，是存在的形式。而結構性的體現，就是，（在簡單上看）當元素（或低級結構，或相對于更高級母體系的子體系）構成上一級時，由于結構的作用，會出現“新”的功能，而體現出1+1大于2的表觀現象。
上文已經論述，實際上這種現象，是母體系再分解為低級體系時，由于結構“破壞”----其實是結構在時間軸上，由顯性轉化為隱性---時，相對功能的喪失或隱化。實際上，簡單不可以累加得到復雜，復雜不可以拆分得到簡單。雖然如此，我們還是用這個“1+1大于2”的描述方式（當然我們要知道這個方向是錯的----實際上，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，而實際上最大母體系又是不可分割的。用這種視點。而不是，由小體系堆積累加成為最大母體系。）來看一看，當細胞累加時，一旦形成結構或準結構，產生了什么新的功能。
細胞群，完全一樣的DNA，只不過存在有不同的年齡段的細胞群，在發酵罐中，是不是一盤散沙呢？
發酵罐，有補料，有調控，有進風--- ---
細胞，完全同一個克隆，不同代謝狀態，有幼年，有成年，有老年，有垂死，有新生---
體積固定，攪拌轉速相對穩定，粘度變化連續，其他參數變化連續，不僅連續，而且可導---
這時，完全沒有物質基礎，沒有蛋白來區分，更沒有DNA來決定任何調控蛋白，但是，不同代謝狀態的不同年齡段的細胞，產生代謝分類---雖然攪拌在一起，卻產生了類似高等生物生理學方面的反應。
這是發酵生理學賴以成立的原因----實際上，微生物是一個描述定義，微生物的外沿很模糊，而對微生物最“靠譜”或最嚴格一點的定義，就是沒有組織分化的生物（實際上有例外的），那么，聯組織分化都沒有的生物，肯定沒有器官，沒有系統，也肯定沒有真正的“生理學”。
但是，一旦把細胞困守在固定空間，使胞外酶共同作用，則出現“準生理”現象，并且在一定限度內進行著自我調控。而發酵過程工程師，就是通過這種對生理參數的理解和控制，實現對發酵過程的控制。
這就是發酵的結構性特征。

葉赫娜蘭孤城

這個特征的奇特之處在于，沒有傳統或經典意義上的“物質基礎”---沒有蛋白和DNA 決定這種準生理現象和它的自我調控。
其實物質基礎還是有的，我們如果再一次強調結構，則，不同菌齡的細胞實際上由于代謝模式不同形成了結構。而發酵罐體積和攪拌線速度及進風形成的氣液固膠四相體系，也是形成結構的因素。這兩個原因還存在著互相加強的作用，這就使準生理現象發生了。
理解了這一點，就使得發酵過程“活”起來了，可以在生理參數的角度，對過程進行監控。
另外，補充一點，是不是高等動物的生理調控中，調控蛋白也不是必須的呢----蛋白是調控得以順利實施的條件，而不是調控存在與否的條件----在調控蛋白被進化好以前，比較原始的調控已經存在了。調控蛋白的起源，就是原始的調控----這樣，調控蛋白，實際上是“調控”這個復雜系的構成部分----它的起源，就是起源于調控本身了----著就符合自起源，自組織的特點了。我不懂高等生物，只是推測，沒有能力展開，見諒，下面回到發酵，回到微生物。

葉赫娜蘭孤城

第二，        全息性在發酵過程上的體現
前面已經講過，其實在復雜系中，所有特征實際上只不過是復雜系，即最大母體系的唯一特點的不同角度描述而已，特點只有一個。那么，復雜系的全息性，也即其體系套體系的構成方式，實際上，就是結構性的另一個描述方式。則，在上面發酵的結構性上，已經體現有全息性。
全息性的特點，是大小體系復雜相套---不僅僅母體系包含子體系，其實，子體系也包含有母體系，在體系中，任何真正分離的個體或部分是不存在的。
在處理發酵工藝問題時，我們會說，“所有不可以在局部解決的局部問題都是更大范圍內的全局問題”，這就是全息性的一個表現。
全息性在發酵上最直接的表現就是密集采點，多參數描述描述同一過程，則整個復雜系的代謝過程可以被描述或，可以被猜測----雖然，實際上，由于復雜系測不準原則，真實不可以被精準描述，但是，也由于復雜系中，任何明確視點下的描述都不可能完全錯誤，則利用全息性原則，在更好利用多參數描述同一過程的方法下，可以實現對過程相對準確的描述和把握。這是全息性的應用。
全息性在發酵的另一個應用是，由于子體系與母體系的關系（如上說述），則，利用全息性，可以通過宏觀調控，實現微觀目的----即，通過生理水平的，對整個發酵罐的參數調節，來控制細胞，亞細胞水平代謝，以實現生產目的，通過生理參數，實現對細胞形態的調控，而后實現細胞代謝調控，以實現生產目的。
在這個過程中，特別要注意菌齡整齊----明確分化的細胞群，是加強結構性的關鍵，也是凸顯出全息性的關鍵----其實，下文要談到的累加效應，也是結構和全息性的另一方面----實現加強累加時，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
關于自組織自起源問題，其實前面講述自組織時，就是用的微生物細胞做實例。現存所有微生物細胞，或，甚至于所有細胞，并不是最早那個細胞的“后代”那么簡單----所有活著的細胞或活過的細胞或尚未活著的細胞，實際上都是最早那個或，那些細胞它們本身----您沒法對二分分裂的細胞分出哪一個是母代，哪一個是子代，而非營二分分裂的細胞，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或變異或二分分裂中一種形式。
而事實上，即便是所謂最早的一部分細胞，它們的代謝形式，有可能在細胞膜圍成球狀之前，就已經完善著進行了----細胞形態，與前細胞形態，已經是可以統一到某個整體代謝中，則細胞必起源于前細胞形態，則必起源于細胞與前細胞形態共同屬于的那個更加本質的生命中----細胞，任何細胞，包括世界第一代細胞，都是自起源的。
自起源必然帶來自組織。
一粒種子，長成一棵大樹，需要澆水，呵護，但是，它不需要你來塑造的----它本身就能長成一棵樹的----這就是自組織過程。
發酵的自組織性，除了細胞水平，還體現在細胞群體會自發產生準生理代謝上----這一點統一于結構性和全息性。那么，這種準生理的宏觀代謝，也會是自起源的嗎？在有發酵工藝，有發酵罐把純培養“關”到發酵罐里之前，難道就有這個準生理現象嗎？
回答是肯定的----問題的關鍵不在于準生理現象在有發酵罐之前有沒有，而在于，準生理現象，甚至生理現象，能不能看做是一群DNA完全一樣的細胞群在一起代謝時的一個內在要求---這就是細胞，復雜系本身的特征。
則，進化的動力就好理解了----雖然微生物不講進化----太混亂，太復雜，路線交叉點太多----但，組織分化的內在原因也就解決了。------進化成組織，并不是隨機突變產生了調控蛋白，進化成組織，是細胞這個復雜系的內在要求。為了實現這個自組織原則，或，為了自組織更加有效和精準，才進化出調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----其實也是結構性和全息性。

葉赫娜蘭孤城

第四，        累加效應
累加效應在前面已經比較全面的論述和描述了，在這兒直接講結論。
累加效應最直接的作用，是發酵上，出于對工業的成本的精準控制，或，出于對產量的苛求，給菌種或細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，就認為沒退化---所謂保藏水平的復壯，就是淘汰突變細胞。但是，生產菌種，就沒有這么簡單。
按照一般發酵企業組織形式，總公司最少有兩個菌種庫，而每個車間，或，每個子公司，都會擁有自己的菌種室。發酵過程不會對總公司的菌種庫提出要求，那是菌種室的事。不過，過程工程會對隸屬于車間的菌種室提出相當苛刻的要求，就是代謝純菌種，或蛋白純菌種。
進入生產的細胞，不僅僅遺傳物質一樣，而且，代謝路線也必須一致----一旦發生低產量細胞超越節點----這個節點很低的----就會造成嚴重減產。其原因就在于，進入低產狀態的細胞，由于沒有產產品的壓力，往往會具有一點點的代謝優勢，這個優勢相當微弱，在開始時，甚至不被察覺。但是，由于累加效應，很快就會成為主流，或，成為干擾主流的重大因素。
利用好累加效應，則要求蛋白純菌種，使菌株的高產蛋白型成為主流，一旦這樣做了，后期調控的壓力就會相當之輕。
加強累加效應，加強累加效應的振幅，其技巧之一，也還是菌齡整齊，以便形成強有力的“共振”。
另外，累加效應的實際應用還體現在，發酵過程工程師基本調控任務，或，其調控的實質，或，決定其水平高低的關鍵，就在于，用宏觀手段，去除中間代謝產物及副產物造成的反饋抑制。其實，就是消減負面的累加效應對過程的影響，以得到更高的產量。
任何工藝手段和目的，都要考慮到累加效應的實實在在的存在----比如，甚至發酵后期，應用延長手法，把殘糖等小分子有機質耗掉，以減少粘度等負面影響，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的。
群體代謝，本來如此。

jiazi

精辟啊精辟！