《生物分离工程》教学大纲

《生物分离工程》教学大纲课程中文名称：生物分离工程课程英文名称：BioseparationEngineering课程编号：J1140学分：2学分学时：32学时（其中：讲课学时24，实验学时8，实践学时0）开课学期：第5学期先修课程：生物化学、微生物学、化工原理后续课程：生物反应工程、专业综合实验、生产实习、毕业设计适用专业：生物工程课程类别：专业核心课程/必修使用教材：生物分离工程，孙彦，化学工业出版社，2013年10月第三版开课单位：生物与制药学院一、课程性质与课程目标本课程是生物工程专业重要的专业核心课程和学位课。在生物化学、微生物学和化工原理等课程学习之后，通过本课程的学习使学生对生物分离技术有一个比较全面的了解，全面掌握生物分离工程中各单元操作的基本原理、基本操作和应用范围，并能根据具体实践正确分析生物发酵生产中生物分离方案，全面培养学生的工程素质。具体课程目标为：(1)掌握生物产品分离的基础知识，包括发酵液预处理、细胞分离与破碎、初级分离、萃取、膜分离和色谱等分离原理、影响因素和参数选择等，并能够应用于生物发酵生产中产品分离工艺的设计和改进；(2)能够应用生物分离工程的基本原理和基本方法，结合文献研究，识别食品生物发酵生产中产品分离中存在的工程问题，并能够进行合理分析，判断影响分离效果的关键因素；(3)掌握生物分离实验的基本原理、方法和基本操作，能够将其用于分析生物发酵生产中与萃取、色谱分离相关的复杂工程问题的分配系数、分离效率等基本特征，具备一定的生物分离研究能力。二、课程目标对毕业要求的支撑关系课程目标毕业要求指标点毕业要求（1）掌握生物产品分离的基础知识，包括发酵液预处理、细胞分离与破碎、初级分离、萃取、膜分离和色谱等分离原理、影响因素和参数选择等，并能够用于生物发酵生产中产品分离工艺的设计和改进；1.4掌握解决食品发酵、生物医药生产复杂工程问题所需工程专业知识，能够将其用于生物加工的菌种、工艺和设备方案的比较、设计与改进。1工程知识（2）能够应用生物分离工程的基本原理和基本方法，结合文献研究，识别食品生物发酵生产中产品分离中存在的工程问题，并能够进行合理分析，判断影响分离效果的关键因素；2.2能够运用生物工程的原理和数学模型方法，正确表达食品发酵与生物医药生产中关键环节的特征。2问题分析（3）掌握生物分离实验的基本原理、方法和基本操作，能够将其用于分析生物发酵生产中与萃取、色谱分离相关的复杂工程问题的分配系数、分离效率等基本特征。4.2掌握专业实验的基本原理和方法，能够将其用于分析食品发酵与生物医药生产复杂工程问题的生物学和工程学的基本特征；4研究三、教学内容、教学进度及教学要求（一）理论课教学安排序号章节教学内容学时分配教学要求学生任务（用于及时分析课程目标达成度）作业要求课后要求课堂要求1第一章绪论生物技术下游加工过程的重要性；生物分离过程的特点；生物分离过程的一般流程；生物分离技术和原理；分离效率的评价；生物技术下游加工过程的选择原则。2教学重点：生物分离过程的特点；生物分离过程的一般流程；分离效率的评价方法和分离过程的选择原则。教学难点：生物分离过程的选择原则。教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书。(1)生物分离工程有那些特点？简述生化分离过程的一般流程？（课程目标1）(2)生物分离工程可分为几大部分？分别包括那些单元操作？（课程目标1）通过文献查阅分析在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？（课程目标1）了解生物分离过程的特点；掌握生物分离过程的一般流程；掌握分离效率的评价方法和分离过程的选择原则。（课程目标1）2第二章发酵液预处理、细胞分离与破碎发酵液的预处理方法；固液分离；细胞破碎；2教学重点：发酵液预处理的目的与常用预处理方法；差速离心分离的原理与应用；细胞破碎和产物释放原理。教学难点：各类细胞破碎方法的区别和适用条件教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书。(1)发酵液预处理的目的是什么？主要有哪几种方法？（课程目标1）(2)列举出常用的细胞破碎方法并阐明其工艺条件及适用范围。（课程目标1）通过文献查阅了解目前工业生产和实验室对不同微生物一般采取什么破碎方法，破碎过程中各工艺参数如何设置。（课程目标1）了解发酵液预处理的目的，掌握常用的预处理方法；掌握差速离心分离的原理以及提高分离效率的方法；掌握各种细胞破碎方法原理，优缺点及其适用范围（课程目标1和2）。3第三章沉淀分级蛋白质表面性质盐析沉淀；等电点沉淀；有机溶剂沉淀；其他沉淀（自学）2教学重点：盐析沉淀原理及操作教学难点：盐析沉淀的操作教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书，课堂讨论等。(1)简要分析影响蛋白质盐析的主要因素？（课程目标2）(2)如何确定分级盐析沉淀目标蛋白质所需的最佳硫酸铵饱和度。（课程目标1）(3)比较有机沉淀法、等电点沉淀和盐析沉淀法在原理、操作参数和应用领域上的异同。（大作业，课程目标1）通过文献查阅进一步比较各种沉淀方法应用范围和工艺参数，明确沉淀法一般用于生物分离的哪个阶段。（课程目标2）理解蛋白质表面的构成；掌握盐析和盐溶概念，盐析的原理和操作；了解等电点沉淀法原理和操作；掌握有机溶剂沉淀法原理和操作；讨论分级盐析的实施方案。（课程目标1和2）。4第四章膜分离膜分离技术的类型；膜材料及其特性；膜组件形式及其适用范围；膜分离操作特性影响膜分离速度的因素膜分离过程膜污染与清洗膜分离应用4教学重点：膜分离原理、膜分离操作特性及影响膜分离速度的因素教学难点：影响膜分离速度的因素教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书，课堂讨论，企业教师参与授课。(1)简述微滤、超滤膜、反渗透膜在推动力、分离原理、膜材料、结构、性能及其应用等方面的异同点。（课程目标1）(2)浓度极化、凝胶极化概念,是如何影响膜分离的？有何危害？减少浓差极化现象的措施？（课程目标1）；(3)通过文献查阅掌握膜分离材料的最新研究进展并撰写报告（大作业，课程目标1）(4)试分析膜分试分析膜分离过程中截留率降低的原因。（课程目标2）通过文献查阅结合课堂知识分析某一生物产品膜分离操作方式和参数选择的依据。（课程目标2）理解各种膜分离方法的原理和应用；掌握膜组件的形式及适用范围；掌握浓差极化、凝胶极化概念、影响及改善；掌握实际膜分离过程中影响截留率的因素；了解膜污染的主要原因、膜清洗的方法和预防膜污染的措施。（课程目标1和2）5第五章萃取（1）基本概念（2）分配定律与分配平衡（3）有机溶剂萃取（3）双水相萃取（4）反胶团萃取（自学）（5）超临界流体萃取4教学重点：化学萃取、有机溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取和超临界流体萃取的基本原理及操作特性。教学难点：各种萃取方法的选择和工艺条件确定教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书，课堂讨论。(1)试比较有机溶剂萃取、双水相萃取和超临界流体萃取的原理、影响因素和应用范围的异同。（课程目标1）(2)通过文献查阅绘制出红霉素（或其他生物产品）的有机溶剂萃取分离流程并分析各参数选择的依据。（大作业，课程目标2）通过文献查阅进一步掌握萃取法分离生物产品参数的选择依据。（课程目标2）理解萃取、分配定律和分配平衡的基本概念；掌握有机溶剂萃取，双水相萃取和超临界流体萃取的原理、影响因素；讨论各种萃取分离方法分离生物产品的适用范围。（课程目标1和2）6第六章吸附分离技术与理论（1）概述（2）吸附分离介质（3）吸附平衡理论（4）固定床吸附4教学重点：离子交换剂和大孔吸附树脂分离原理及使用方法；离子交换平衡教学难点：离子交换剂和大孔吸附树脂在使用上的异同教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书，课堂讨论。(1)从操作方法、骨架结构、吸附介质、吸附机理等方面比较大孔树脂吸附法与离子交换法的异同。（课程目标1）(2)试分析利用某一普通离子交换树脂分离提取蛋白质分子提取效率低的原因。（课程目标2）(3)讨论利用离子交换法和大孔吸附法分离某一已知性质生物产品的分离路线（课程目标2）。通过文献查阅掌握离子交换法和大孔吸附法在生物产品分离中的最新进展（课程目标2）。掌握吸附剂、离子交换剂性能评估方法；掌握典型离子交换剂的滴定曲线；掌握离子交换剂和大孔吸附树脂分离原理及使用方法；了解吸附平衡和离子交换平衡概念；了解穿透曲线、穿透点和穿透时间等概念。（课程目标1）7第七章液相色谱（1）色谱分离概述（2）凝胶过滤色谱（3）离子交换色谱（4）疏水性相互作用色谱（5）亲和色谱6教学重点：凝胶过滤色谱、离子交换色谱、疏水性色谱和亲和色谱的分离原理和关键参数；各种色谱技术如何组合教学难点：各类色谱分离技术的使用条件及如何组合教学方法：教师讲授，引用实例，通过多媒体课件图文并茂的优势结合适当板书，课堂讨论，案例教学。(1)请比较凝胶过滤、离子交换色谱、疏水相互作用色谱和亲和色谱在分离机理、层析介质、样品准备、上样条件和洗脱条件上的差异；（课程目标1）(2)查阅色谱分离法联用分离某一生物产品的文献，结合所学知识分析分离工艺及各参数选择的依据。（大作业，课程目标2）(3)根据已知条件设计某一生物产品的分离流程。（课程目标2通过文献查阅进一步巩固结合多种色谱分离方法分离某一生物产物的一般工艺流程及工艺参数选择依据（课程目标1和2）。掌握凝胶过滤色谱、离子交换色谱、疏水色谱和亲和色谱的原理、介质特性和操作参数；掌握各种色谱分离技术的特点和使用范围；掌握各种色谱方法联合使用；讨论离子交换色谱和疏水相互作用色谱的异同。（课程目标1和2）8第八章结晶（自学）（1）结晶原理（2）晶体的生长（3）结晶过程设计基础（4）结晶器（5）结晶操作及其应用教学重点：结晶过程设计基础，结晶操作及其应用教学难点：结晶过程设计基础教学方法：学生自学(1)结晶与沉淀的异同点如何？（自学）(2)在结晶过程中（包括晶核的生成和结晶的生长）如何控制条件以获得质量好的晶体？（自学）理解结晶的原理；理解结晶过程设计基础；掌握结晶操作特性和应用。（二）实践课教学安排序号实验名称及内容学时分配教学要求及教学方式学生任务（要求）实验预习实验操作实验报告1两水相系统中蛋白质分配系数的测定（课程目标3）4（1）掌握蛋白质在两水相系统中分配系数的测定方法及计算方法（2）能够分析食品发酵与生物医药生产中与萃取分离相关的复杂工程问题的基本特征（3）指导预习、示范操作、启发思考。（1）了解实验的目的和应用范围；（2）了解实验基本原理与基础操作；（3）了解分配系数的意义及测定和计算方法。(1)能够独立完成双水相萃取分离生物物质的操作；(2)能够独立完成蛋白质在两水相系统中分配系数的测定及计算。(1)实验数据的记录、分析与解释及实验总结；(2)明确试验的应用范围，掌握萃取实验相关问题的基本特征。2凝胶过滤法分离生物产品（课程目标3）4（1）掌握凝胶层析法的基本原理、操作技巧和工艺控制。（2）能够分析食品发酵与生物医药生产中与色谱分离相关的复杂工程问题的基本特征（3）指导预习、示范操作、启发思考。（1）了解实验的目的和应用范围；（2）了解实验基本原理与基础操作；（3）了解实验过程中主要工艺参数及意义。(1)能够独立完成利用凝胶过滤色谱法分离分子量不同物质的操作；(2)能够独立完成凝胶过滤色谱分离生物分子的色谱图的解析和分离效果的评价。(1)实验数据的记录、分析与解释及实验总结；(2)明确试验的应用范围，掌握凝胶过滤色谱相关问题的基本特征。四、课程考核方式、成绩评定标准及对课程目标的支撑4.1课程考核方式与成绩评定课程考核方式包括期末考试和平时成绩两部分；其中期末考试成绩占总成绩50%，闭卷考试；平时成绩占总成绩的50%，包括平时作业、大作业、课堂讨论、实验操作和实验报告等。课程总成绩构成如下：期末考试平时成绩试卷成绩（闭卷）平时作业大作业课堂讨论实验成绩实验预习实验操作实验报告501510105554.2成绩评定标准考核项目分值评定标准(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥6060>x平时作业15准确率≥90%，字迹工整，思路清晰，按时提交90>准确率≥80%，字迹工整，按时提交80>准确率≥70%，字迹较工整，按时提交70>准确率≥60%，作业迟交3次以内准确率<60%，作业迟交4次及以上大作业10内容新颖，论述准确，切中要点，无抄袭现象内容全面，论述准确，切中要点，无抄袭现象内容丰富，论述准确，重点突出，无明显抄袭现象内容较多，重点较突出，论述基本准确，无明显抄袭现象有明显抄袭现象课堂分组讨论10教学内容：内容充实，符合要求；思路清晰，层次分明；信息量适中，时间控制准确；课件制作：ppt制作规范，可视性强；课堂讲解：语言表述清晰流畅，语速适中；专业知识表述准确，理解透彻；能够调动同学思维积极性，课堂气氛好；回答问题正确。教学内容：内容充实，符合要求；思路较清晰，层次较分明；信息量适中，时间控制准确；课件制作：ppt制作规范，可视性强；课堂讲解：语言表述较清晰流畅，语速适中；专业知识表述准确，理解透彻；能够较好调动同学思维积极性，课堂气氛好；回答问题正确。教学内容：内容较充实，符合要求；思路较清晰，层次较分明；信息量适中，时间控制较准确；课件制作：ppt制作较规范；课堂讲解：语言表述较清晰流畅，语速适中；专业知识表述较准确，理解透彻；能够较好调动同学思维积极性，课堂气氛好；回答问题基本正确。教学内容：内容较充实，基本符合要求；思路较清晰，层次较分明；信息量偏大；课件制作：ppt制作不够美观；课堂讲解：语言表述较清晰流畅，语速适中；专业知识表述较准确，理解较透彻；课堂气氛一般；回答问题基本正确。教学内容：内容较少，基本符合要求；思路较清晰，层次较分明；信息量不够；课件制作：ppt制作不够美观；课堂讲解：语言表述不够清晰流畅；专业知识表述基本准确；课堂气氛一般；回答问题基本正确。实验预习5预习充分，清楚实验的目的和应用范围，能够对要求了解的实验相关基本原理和方法进行表述，且准确率≥90%。预习较为充分，清楚实验的目的和应用范围，能够对要求了解的实验相关基本原理和方法进行表述，且准确率≥80%。预习较为充分，清楚实验的目的和应用范围，能够对要求了解的实验相关基本原理和方法进行表述，且准确率≥70%。预习不充分，基本清楚实验的目的和应用范围，对要求了解的实验相关基本原理和方法表述的准确率≥60%。预习不充分，不清楚实验的目的和应用范围，未能对要求了解的实验相关基本原理和方法进行有效表述。实验操作5能够严格按每个实验的操作步骤和操作规范独立完成实验项目，并得到准确可靠的实验结果。能够严格按照每个实验的操作步骤规范地完成实验项目，并能够得到较好的结果。能够按照每个实验的操作步骤基本规范地完成实验项目，并能得到部分正确的实验结果。能够部分按照操作步骤完成实验项目，并能得到部分实验结果。能够在老师的协助下完成实验项目的操作步骤，但是没有得到理想的实验结果。实验报告5有完整的实验报告，实验数据记录规范、数据分析准确，够准确回答实验课后思考题。书写干净，工整，绘图美观。有完整的实验报告，实验数据记录规范、数据分析准确，能够基本准确回答实验课后思考题。能够按要求绘图。有完整的实验报告，实验数据记录规范、数据分析基本准确，能够部分准确回答实验课后思考题。能够按要求绘图，能够分析实验失败的原因。有完整的实验报告，实验数据记录规范、数据分析不够准确，回答问题不够准确，绘图不符合标准，缺乏对失败结果的客观分析。实验报告不完整，实验数据记录不规范，思考题回答不准确，绘图不符合要求，没有对失败实验结果的分析。期末考试50满分100分，其中课程目标1占40%