发酵工艺与设备课程教学大纲.doc

发酵工艺与设备课程教学大纲课程编号：总学时数：51学时总学分数：课程性质：适用专业：一、课程的任务和基本要求：发酵工程是现代生物技术的重要组成部分，广泛应用于农业、医药、食品、环保、能源和化工等领域，涉及到全人类所面临的营养与健康、环境与资源等人们日常生活、社会重大问题及国家战略性问题。通过发酵过程进行的产品开发和环境保护，已经并将继续给人类带来巨大经济和社会效益。通过本课程的学习，对发酵过程中的化学、生物学和工程学的现象和问题有较深入的理解和认识。本课程突出介绍发酵工程中的基本概念和原理，系统的阐述发酵的菌种来源、培养基制备、灭菌和种子扩大培养，发酵过程中的操作方式、工艺控制，发酵工业设备的构造及性能和操作原理，产物的分离方法等，并简要介绍微生物代谢调节、基因工程菌发酵和动植物细胞培养等内容。要求学生将基础课和专业课与发酵工业的操作原理结合起来，掌握发酵工程中的基本概念，理解和掌握发酵工艺过程的特点和规律，为将来从事生物技术和生物工程的有关科研和生产工作打下良好的基础。要求先修课程生物化学、微生物学、物理化学、化工原理、机械设备基础。 二、基本内容和要求：本课程发酵工艺与设备（Fermentation technology and equipment）主要讲解发酵过程中的共性规律，按发酵工艺流程来编排教学内容，课程内容主要包括菌种的来源、培养基的制备、灭菌技术、种子的扩大培养、发酵过程原理及反应动力学、发酵过程工艺控制、微生物的代谢调节、发酵设备、动植物细胞培养，发酵产物的提取与精制等，并以具体发酵产品案例贯穿在每一章里面。要求学生理解和掌握发酵过程的基本原理和概念，在生物学和工程学层次上掌握对发酵生产过程的分析方法、操作方法、工艺控制等，在整体上对发酵过程工艺流程有一个完整的认识，达到学生既能掌握发酵过程的基础理论知识，又能提高应用理论知识于实践的目的。 三、实践环节和要求：无 四、教学时数分配：理论：51 实验： 上机： 其它： 教学内容学时分配教学内容学时分配第一章 绪论1.1 发酵工程定义1.2 发酵过程的组成部分1.3 发酵工程的发展史1.4 发酵工程的应用领域1.5 本课程的学习内容 2第二章 菌种来源2.1 微生物的特性概述2.2 发酵工业菌种的特点2.3 菌种的分离筛选2.4 菌种选育2.5 菌种保藏 4第三章 微生物发酵培养基3.1 培养基的类型3.2 发酵培养基的成分和来源3.3 发酵培养基的设计与优化 4第四章 灭菌4.1 灭菌的方法4.2培养基与发酵设备的灭菌4.3 空气的除菌4.4 无菌检测方法4.5 发酵“三废”的安全处理 2第五章 种子的扩大培养5.1 种子的制备工艺5.2 种子质量的控制措施5.3 种子制备的放大技术 2第六章 发酵过程原理与动力学6.1 发酵过程的物料平衡6.2 分批发酵过程6.3 连续发酵过程6.4 补料分批发酵过程6.5 发酵与分离的偶合 4第七章 发酵过程氧的传递与供需7.1 微生物对氧的需求7.2 发酵过程氧的传递7.3 发酵过程耗氧与供氧的关系7.4 影响氧传递的因素7.5 溶氧、摄氧率和KLa的测定 5第八章 发酵过程的工艺控制8.1 发酵工艺控制概述8.2基质浓度对发酵的影响及其控制8.3 种子质量的影响8.4 温度对发酵的影响及其控制8.5 pH对发酵的影响及其控制8.6 溶氧对发酵的影响及其控制8.7 二氧化碳和呼吸商8.8 补料对发酵的影响及其控制8.9 泡沫对发酵的影响及其控制8.10 发酵终点的判断8.11 发酵染菌的防治8.12 发酵过程参数检测8.13 基因工程菌的发酵 15第九章 微生物的代谢调节9.1 初级代谢调节9.2 次级代谢调节9.3 代谢工程 3 第十章 动、植物细胞培养10.1 动物细胞培养10.2 植物细胞培养 3第十一章 发酵设备11.1 发酵罐的类型与结构11.2 发酵罐的设计与放大11.3 搅拌功率的计算及电机选配 3第十二章 发酵产物的提取与精制12.1提取与精制的一般工艺流程12.2 发酵液的预处理与固液分离方法12.3 微生物细胞的破碎技术12.4 产物的分离方法12.5 产物的精制方法 3第十三章 展望 1 合计51五、其它项目：无六、有关说明：1、教学和考核方式：教学方式：在课堂教学中主要采用多媒体手段，同时结合案例分析及学习最新文献方法的教学方式。让学生既能从形象生动的多媒体课件中获得大量的理论知识，又能从案例分析中理解基本概念和原理的应用；以理论联系实践的方式，以激起学生的学习兴趣，使学生便于理解和掌握本课程的理论知识及其在实践中的应用，从而培养学生掌握基础知识及应用理论知识的能力。同时，以教材、电子课件、主要参考书以及最新国内外文献的复合教学材料，供学生阅读和参考，以拓宽学生的阅读范围和视野，增强学习兴趣，加强对基础理论在实践中应用的理解，提高学生应用理论知识的能力，进一步保证教学质量。考核方式：本课程为考查课。2、习题：见后3、能力培养要求：培养学生理解和掌握发酵过程的基本概念和原理的能力；培养学生掌握发酵过程的有关操作、控制和优化知识和方法的能力；培养学生对发酵设备的操作和设计方法掌握的能力；培养学生对发酵产物分离和精制方法及其他有关知识掌握的能力；培养学生对基础理论知识在实践中应用的能力。4、与其它课程和教学环节的联系：先修课程和教学环节：先修课程生物化学、微生物学与本课程有关生物现象知识，菌种、培养基、灭菌、发酵过程中微生物代谢与调控等教学环节相联系，同时课程还串插分子生物学、基因组学、蛋白组学等有关生物学知识，使学生能了解最新生物技术在发酵工程中的应用；先修课程物理化学和化工原理与发酵过程中有关化学知识与化学工程原理，如灭菌技术原理、发酵过程中的“三传一反”及工艺控制和过程优化、产物的提取与精制、发酵设备的设计与放大等教学环节相联系；机械设备基础与发酵过程中有关设备的应用、操作、发酵罐的构造、设计和放大等教学环节相联系。后续课程和教学环节： 后续课程如生化分离工程、生物化学工程、动植物细胞培养、发酵调控学等与本课程相应环节相联系。平行开设课程和教学环节：无5、教材和主要参考书目：（1）教材： 新编生物工艺学，俞俊棠等， 化学工业出版社。（2）主要参考书目： 微生物工程工艺原理（第二版），姚汝华等，华南理工大学出版社； 生物工程设备，梁世中，轻工出版社； 工业微生物育种学，诸葛健等，化学工业出版社； 生化分离工程，严希康，化学工业出版社。 习题（思考题）：第一章 思考题1.发酵工程的定义与特点？2.发酵工程的分类与组成？3.发酵工业发展的有哪几个阶段及大致年代？4.发酵生产所需的条件是什么？5.发酵工业的应用领域？举出6个以上（三个不同领域）发酵生产的产品。第二章 思考题1.工业化菌种的要求？2.从自然界着筛选菌种的一般操作步骤？3.从环境中分离目的微生物时，为何一定要进行富集培养？4.菌种选育分子改造的目的？5.什么叫自然选育？自然选育在工艺生产中的意义？6.什么是诱变育种？常用的诱变剂有哪些？7.什么是基因重组？基因工程育种有何优点？8.什么是16sRNA同源性分析？9. 菌种保藏的原理？ 10.菌种衰退的定义及原因？防止菌种退化的措施？11. 菌种复壮的定义和复壮的措施？第三章 思考题1.什么是培养基?发酵培养基的特点和要求？2.常用的碳源有哪些？常用的糖类有哪些，各自有何特点？3.什么是生理性酸性物质？什么是生理性碱性物质？4.常用的无机氮源和有机氮源有哪些？有机氮源在发酵培养基中的作用？5.什么是前体？前体添加的方式？6.什么是生长因子？生长因子的来源？7.什么是产物促进剂？产物促进剂举例？8.什么是理论转化率？什么是实际转化率？9.培养基设计的一般步骤？举例说明。10.培养基成分选择需要考虑哪些方面？11.培养基优化在发酵优化控制中的作用与地位？第四章 思考题1.培养基的灭菌的定义？常用的灭菌方法有哪些？ 2.致死温度的定义？湿热灭菌的原理和优点？3.设计一个培养基的湿热灭菌过程首先要解决的问题是什么？4.为什么采用高温短时间灭菌既有利于杀灭微生物又有利于减少营养物质的破坏？5.连续灭菌和间歇灭菌的定义和比较？6.影响灭菌的因素有哪些？7.无菌空气的定义？发酵工业对空气有什么要求？8.空气除菌的方法有哪些？简述这些方法的原理和优缺点。9.叙述介质过滤除菌的定义，机理和过滤介质的类型。10.叙述常见的空气过滤除菌工艺流程的分析计算。11.过滤效率和对数穿透率？12.传统空气过滤除菌工艺中的主要设备有哪些？13.新型的空气过滤器有哪些？有何优点？第五章 思考题1.种子扩大培养的定义？种子扩大培养的目的与要求？2.种子扩大培养的一般步骤？3.什么是接种量？适宜的接种量是多少？4.什么是种龄？适宜种龄确定的依据？5.影响种子质量的因素。6.发酵级数的定义，发酵级数对发酵有何影响，影响发酵级数的因素有哪些？ 7.什么是接种、倒种、双种？8.在大规模发酵的种子制备过程中，实验室阶段和生产车间阶段在培养基和培养物选择上各有何特点？9.讨论：结合具体的产品理解种子质量控制的方法，以及认识种子质量对发酵的影响？第六章 思考题1.分批发酵、连续发酵和补料分批发酵的定义。2.菌体的比生长速率，产物的比形成速率，基质的比消耗速率和维持系数的定义？3.分批发酵中菌体生长一般经历哪几个阶段？简述各阶段菌体生长的特点。4.发酵动力学的定义，研究发酵动力学的目的5. 研究发酵动力学方法有哪两种？6.写出Monod方程，其使用条件是什么？各参数的意义与求解？7.根据产物生成与菌体生长的关系，可将分批发酵分为哪几种类型，用公式进行表述。这种分类方法对实际生产有何指导意义？8.什么是连续培养的稀释率？9.恒化器和恒浊器的定义。10.解释连续培养富集微生物的原理？第七章 思考题1.为什么氧容易成为好氧发酵的限制性因素？2.什么是比耗氧速度和呼吸强度？3.什么是临界饱和溶氧浓度、临界溶氧浓度、氧饱和度？微生物的临界溶氧浓度一般多少？4.影响微生物需氧的因素有哪些？5.写出发酵液中的氧体积传递方程。其中KLa的物理意义是什么？6.如何调节摇瓶发酵的供氧水平？如何调节通气搅拌发酵罐的供氧水平？7.如何测定发酵液中的溶氧浓度，以及发酵罐的Kla?8.氧的供需研究与反应器设计与放大的关系？9.发酵过程中溶氧浓度监控的意义？第八章 思考题1.发酵过程的参数检测有什么意义？生产中主要检测到参数有哪些？2.发酵过程糖代谢、氮代谢有什么规律，为什么？3.测定菌的生长采取哪些方法？不同种的微生物各采取什么方法合适？4.发酵过程为什么要补料？补些什么？5.补料过多或过少对发酵有什么影响？6.高浓度磷抑制刺激代谢产物合成的机理是什么？7.接种量和接种种龄对发酵有什么影响？8.发酵过程的温度会不会变化？为什么？9.发酵热的定义。10.生物热的大小与哪些因素有关？11.温度对发酵有哪些影响？12.发酵过程温度的选择有什么依据？13.根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？14.微生物对温度要求不同的原理是什么？15.发酵过程中pH会不会发生变化为什么？16.pH对发酵的影响表现在哪些方面？17.为了确定发酵的最佳pH,我们该如何实验？18.发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？19.呼吸商的定义？二氧化碳对发酵有哪些影响？20.泡沫对发酵有哪些有益之处，哪些有害之处？21.发酵中泡沫形成的原因是什么？22.没有外界作用力泡沫是否稳定？在什么条件下泡沫会稳定？23.罗氏假说对泡沫稳定的条件作了如何假释？24.植物油的消泡机理是什么？25.对消泡剂有哪些要求？26.常用的消泡剂有哪几类？27.对于黏稠的发酵液应选怎样的消泡剂，对于较稀的发酵液应选怎样的消泡剂？28.如何判断发酵终点？29.染菌对发酵有什么危害，对提炼有什么危害？30.有哪些原因会引起染菌？31.染菌以后应采取什么措施？ 32.为什么会感染噬菌体？感染了噬菌体后应采取哪些措施？33.用于在线检测的传感器必须符合哪些要求？34.pH电极的指示电极能测定pH值的原理是什么？35.pH电极的测量范围有没有限制？使用时应注意哪些问题？36.溶氧电极能够测定液体中溶氧浓度的原理是什么？37.影响溶氧电极测定的灵敏度和准确性的因素有哪些？38.哪些仪器可以测定尾气氧和尾气二氧化碳？测定原理是什么？39.利用基因工程菌生产，有什么优势？常用的宿主菌有哪些？40.利用基因工程菌生产有哪些特点？41.重组菌基因不稳定性的原因有哪些？42.在基因工程菌培养过程中为什么质粒会丢失？43.基因工程菌高表达的障碍是什么？44.常规的高密度培养的措施有哪些？45.重组菌与传统微生物在产物表达上有什么区别？46.与大肠杆菌相比酵母作为宿主菌有什么优点？47.重组菌与传统菌在发酵过程控制中有哪些相同之处？48.重组大肠杆菌的诱导因子有哪些？重组酵母的诱导因子有哪些？第九章 思考题1.什么是分解代谢阻遏？2.什么是反馈抑制和反馈阻遏？比较诱导与反馈阻遏作用的分子水平机制。3.试举两种可行的避开末端代谢产物反馈调节的方法。4.叙述分支代谢途径的三种调节方式：同工酶、协同反馈调节和积累反馈调节。5.为什么氧不利于酵母EMP途径，而有利于HMS途径？6.溶氧对参与散羧酸循环的酶和呼吸链的酶有何影响？7.什么是代谢工程？代谢流分析和代谢控制分析？8.什么是代谢网络中的节点？有哪几类？如何判断？第十章 思考题1.有哪些常用的动物细胞培养方法？各自有何优点？2.什么是动物细胞悬浮培养法？3.动物细胞培养的条件控制有何要求？4.植物细胞培养用培养基的主要组成是什么？如何选择培养基？5.植物细胞大规模培养的方式有哪些？6.影响植物细胞培养的因素有哪些？第十一章 思考题1.常用的通气发酵罐有哪几