發(fā)酵工藝與設備課程教學大綱.doc

1、發(fā)酵工藝與設備課程教學大綱課程編號：總學時數(shù)：51學時總學分數(shù)：課程性質(zhì)：適用專業(yè)：、課程的任務和基本要求 ：發(fā)酵工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，廣泛應用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)保、 能源和化工等領(lǐng)域，涉及到全人類所面臨的營養(yǎng)與健康、環(huán)境與資源等人們?nèi)粘Ｉ睢?社會重大問題及國家戰(zhàn)略性問題。通過發(fā)酵過程進行的產(chǎn)品開發(fā)和環(huán)境保護，已經(jīng)并將繼續(xù)給人類帶來巨大經(jīng)濟和社會效益。通過本課程的學習，對發(fā)酵過程中的化學、生物學和工程學的現(xiàn)象和問題有較深入 的理解和認識。本課程突出介紹發(fā)酵工程中的基本概念和原理，系統(tǒng)的闡述發(fā)酵的菌種來源、培養(yǎng)基制備、滅菌和種子擴大培養(yǎng)，發(fā)酵過程中的操作方式、工藝控制，發(fā)酵工

2、業(yè)設備的構(gòu)造及性能和操作原理，產(chǎn)物的分離方法等，并簡要介紹微生物代謝調(diào)節(jié)、基因工程菌發(fā)酵和動植物細胞培養(yǎng)等內(nèi)容。要求學生將基礎(chǔ)課和專業(yè)課與發(fā)酵工業(yè)的操作原理結(jié)合起來，掌握發(fā)酵工程中的基本概念，理解和掌握發(fā)酵工藝過程的特點和規(guī)律，為將來從事生物技術(shù)和生物工程的有關(guān)科研和生產(chǎn)工作打下良好的基礎(chǔ)。要求先修課 程：生物化學、微生物學、物理化學、化工原理、機械設備基礎(chǔ)。二、基本內(nèi)容和要求：本課程發(fā)酵工藝與設備(Fermentation technology and equipment )主要講解發(fā)酵過程中的共性規(guī)律，按發(fā)酵工藝流程來編排教學內(nèi)容，課程內(nèi)容主要包括菌種的來源、培養(yǎng)基的制備、滅菌技術(shù)、種子的

3、擴大培養(yǎng)、發(fā)酵過程原理及反應動力學、發(fā)酵過程工 藝控制、微生物的代謝調(diào)節(jié)、發(fā)酵設備、動植物細胞培養(yǎng)，發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制等， 并以具體發(fā)酵產(chǎn)品案例貫穿在每一章里面。要求學生理解和掌握發(fā)酵過程的基本原理和概念，在生物學和工程學層次上掌握對發(fā)酵生產(chǎn)過程的分析方法、操作方法、工藝控制等，在整體上對發(fā)酵過程工藝流程有一個完整的認識，達到學生既能掌握發(fā)酵過程的基礎(chǔ)理論知識，又能提高應用理論知識于實踐的目的。三、實踐環(huán)節(jié)和要求：無四、教學時數(shù)分配:理論：51實驗：上機：其它:教學內(nèi)容學時分配教學內(nèi)容學時分配第一章緒論1.1發(fā)酵工程定義1.2發(fā)酵過程的組成部分1.3發(fā)酵工程的發(fā)展史1.4發(fā)酵工程的應用領(lǐng)域1

4、.5本課程的學習內(nèi)容2第二章菌種來源2.1微生物的特性概述2.2發(fā)酵工業(yè)菌種的特點2.3菌種的分離篩選2.4菌種選育2.5菌種保藏4第三章微生物發(fā)酵培養(yǎng)基3.1培養(yǎng)基的類型3.2發(fā)酵培養(yǎng)基的成分和 來源3.3發(fā)酵培養(yǎng)基的設計與優(yōu)化4第四章滅菌4.1火菌的方法4.2 培養(yǎng)基與發(fā)酵設備的 火菌4.3空氣的除菌4.4無菌檢測方法4.5發(fā)酵“三廢”的安全 處理2第五章種子的擴大培養(yǎng)5.1種子的制備工藝5.2種子質(zhì)量的控制措施5.3種子制備的放大技術(shù)2第六草發(fā)酵過程原理與 動力學6.1發(fā)酵過程的物料平衡6.2分批發(fā)酵過程6.3連續(xù)發(fā)酵過程6.4補料分批發(fā)酵過程6.5發(fā)酵與分離的偶合4第七章 發(fā)酵過程氧的

5、傳遞 與供需7.1微生物對氧的需求7.2發(fā)酵過程氧的傳遞7.3發(fā)酵過程耗氧與供氧 的關(guān)系7.4影響氧傳遞的因素7.5溶氧、攝氧率和KLa的測定5第八章發(fā)酵過程的工藝 控制8.1發(fā)酵工藝控制概述8.2基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影 響及其控制8.3種子質(zhì)量的影響8.4溫度對發(fā)酵的影響及 其控制8.5 pH對發(fā)酵的影響及其 控制8.6溶氧對發(fā)酵的影響及 其控制8.7二氧化碳和呼吸商8.8補料對發(fā)酵的影響及 其控制8.9泡沫對發(fā)酵的影響及其控制8.10發(fā)酵終點的判斷8.11發(fā)酵染菌的防治8.12發(fā)酵過程參數(shù)檢測8.13基因工程菌的發(fā)酵15第九章微生物的代謝調(diào)節(jié)9.1初級代謝調(diào)節(jié)9.2次級代謝調(diào)節(jié)9.3代謝工程3

6、第十章動、植物細胞培養(yǎng)10.1動物細胞培養(yǎng)10.2植物細胞培養(yǎng)3第十一章發(fā)酵設備11.1發(fā)酵罐的類型與結(jié)構(gòu)11.2發(fā)酵罐的設計與放大11.3攪拌功率的計算及電 機選配3第十二章發(fā)酵產(chǎn)物的提 取與精制12.1提取與精制的一般工 藝流程12.2發(fā)酵液的預處理與固液分離方法12.3微生物細胞的破碎技術(shù)12.4產(chǎn)物的分離方法12.5產(chǎn)物的精制方法3第十三章展望1合計51五、其它項目：無六、有關(guān)說明：1、教學和考核方式：教學方式：在課堂教學中主要采用多媒體手段，同時結(jié)合案例分析及學習最新文獻方法的教學方式。讓學生既能從形象生動的多媒體課件中獲得大量的理論知識，又能從案例分析中理解基本概念和原理的應用；以

7、理論聯(lián)系實踐的方式，以激起學生的學習興趣，使學生便于理解和掌握本課程的理論知識及其在實踐中的應用，從而培養(yǎng)學生掌握基礎(chǔ)知識及應用理論知識的能力。同時，以教材、電子課件、主要參考書以及最新國內(nèi)外文獻的復合教學材料，供學生閱讀和參考，以拓寬學生的閱讀范圍和視野，增強學習興趣，加強對基礎(chǔ)理論在實踐中應用的理解，提高學生應用理論知識的能力，進一步保證教學質(zhì)量?？己朔绞剑罕菊n程為考查課。2、習題：見后3、能力培養(yǎng)要求：培養(yǎng)學生理解和掌握發(fā)酵過程的基本概念和原理的能力；培養(yǎng)學生掌握發(fā)酵過程的有關(guān)操作、控制和優(yōu)化知識和方法的能力；培養(yǎng)學生對發(fā)酵設備的操作和設計方法掌握 的能力；培養(yǎng)學生對發(fā)酵產(chǎn)物分離和精制方

8、法及其他有關(guān)知識掌握的能力；培養(yǎng)學生對基礎(chǔ)理論知識在實踐中應用的能力。4、與其它課程和教學環(huán)節(jié)的聯(lián)系：先修課程和教學環(huán)節(jié)：先修課程生物化學、微生物學與本課程有關(guān)生物現(xiàn)象知識，菌種、培養(yǎng)基、滅菌、 發(fā)酵過程中微生物代謝與調(diào)控等教學環(huán)節(jié)相聯(lián)系，同時課程還串插分子生物學、基因組學、蛋白組學等有關(guān)生物學知識， 使學生能了解最新生物技術(shù)在發(fā)酵工程中的應用；先修課程物理化學和化工原理與發(fā)酵過程中有關(guān)化學知識與化學工程原理，如滅菌技術(shù)原理、發(fā)酵過程中的“三傳一反”及工藝控制和過程優(yōu)化、產(chǎn)物的提取與精制、發(fā)酵設備 的設計與放大等教學環(huán)節(jié)相聯(lián)系；機械設備基礎(chǔ)與發(fā)酵過程中有關(guān)設備的應用、操作、 發(fā)酵罐的構(gòu)造、設計

9、和放大等教學環(huán)節(jié)相聯(lián)系。后續(xù)課程和教學環(huán)節(jié)：后續(xù)課程如生化分離工程、生物化學工程、動植物細胞培養(yǎng)、發(fā)酵調(diào)控學等與本課 程相應環(huán)節(jié)相聯(lián)系。平行開設課程和教學環(huán)節(jié)：無5、教材和主要參考書目：（ 1）教材：新編生物工藝學 ，俞俊棠等， 化學工業(yè)出版社。 （2）主要參考書目： 微生物工程工藝原理 （第二版），姚汝華等，華南理工大學出版社； 生物工程設備 ，梁世中，輕工出版社； 工業(yè)微生物育種學 ，諸葛健等，化學工業(yè)出版社； 生化分離工程 ，嚴?？担瘜W工業(yè)出版社。習題（思考題） ：第一章 思考題1. 發(fā)酵工程的定義與特點？2. 發(fā)酵工程的分類與組成？3. 發(fā)酵工業(yè)發(fā)展的有哪幾個階段及大致年代？4. 發(fā)

10、酵生產(chǎn)所需的條件是什么？5. 發(fā)酵工業(yè)的應用領(lǐng)域？舉出 6個以上（三個不同領(lǐng)域）發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品。第二章 思考題1. 工業(yè)化菌種的要求？2. 從自然界著篩選菌種的一般操作步驟？3. 從環(huán)境中分離目的微生物時，為何一定要進行富集培養(yǎng)？4. 菌種選育分子改造的目的？5. 什么叫自然選育？自然選育在工藝生產(chǎn)中的意義？6. 什么是誘變育種？常用的誘變劑有哪些？7. 什么是基因重組？基因工程育種有何優(yōu)點？8什么是16sRNA同源性分析？9. 菌種保藏的原理？10. 菌種衰退的定義及原因？防止菌種退化的措施？11. 菌種復壯的定義和復壯的措施？第三章 思考題1. 什么是培養(yǎng)基 ?發(fā)酵培養(yǎng)基的特點和要求？2.

11、 常用的碳源有哪些？常用的糖類有哪些，各自有何特點？3. 什么是生理性酸性物質(zhì)？什么是生理性堿性物質(zhì)？4. 常用的無機氮源和有機氮源有哪些？有機氮源在發(fā)酵培養(yǎng)基中的作用？5. 什么是前體？前體添加的方式？6. 什么是生長因子？生長因子的來源？7. 什么是產(chǎn)物促進劑？產(chǎn)物促進劑舉例？8. 什么是理論轉(zhuǎn)化率？什么是實際轉(zhuǎn)化率？9. 培養(yǎng)基設計的一般步驟？舉例說明。1 0.培養(yǎng)基成分選擇需要考慮哪些方面？11. 培養(yǎng)基優(yōu)化在發(fā)酵優(yōu)化控制中的作用與地位？第四章 思考題1. 培養(yǎng)基的滅菌的定義？常用的滅菌方法有哪些？2. 致死溫度的定義？濕熱滅菌的原理和優(yōu)點？3. 設計一個培養(yǎng)基的濕熱滅菌過程首先要解決

12、的問題是什么？4. 為什么采用高溫短時間滅菌既有利于殺滅微生物又有利于減少營養(yǎng)物質(zhì)的破壞？5. 連續(xù)滅菌和間歇滅菌的定義和比較？6. 影響滅菌的因素有哪些？7. 無菌空氣的定義？發(fā)酵工業(yè)對空氣有什么要求？8. 空氣除菌的方法有哪些？簡述這些方法的原理和優(yōu)缺點。9. 敘述介質(zhì)過濾除菌的定義，機理和過濾介質(zhì)的類型。10. 敘述常見的空氣過濾除菌工藝流程的分析計算。11. 過濾效率和對數(shù)穿透率？12. 傳統(tǒng)空氣過濾除菌工藝中的主要設備有哪些？13. 新型的空氣過濾器有哪些？有何優(yōu)點？第五章 思考題1. 種子擴大培養(yǎng)的定義？種子擴大培養(yǎng)的目的與要求？2. 種子擴大培養(yǎng)的一般步驟？3. 什么是接種量？適

13、宜的接種量是多少？4. 什么是種齡？適宜種齡確定的依據(jù)？5. 影響種子質(zhì)量的因素。6. 發(fā)酵級數(shù)的定義，發(fā)酵級數(shù)對發(fā)酵有何影響，影響發(fā)酵級數(shù)的因素有哪些？7. 什么是接種、倒種、雙種？8. 在大規(guī)模發(fā)酵的種子制備過程中， 實驗室階段和生產(chǎn)車間階段在培養(yǎng)基和培養(yǎng)物選擇 上各有何特點？9. 討論：結(jié)合具體的產(chǎn)品理解種子質(zhì)量控制的方法，以及認識種子質(zhì)量對發(fā)酵的影響？第六章 思考題1. 分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵的定義。2. 菌體的比生長速率，產(chǎn)物的比形成速率，基質(zhì)的比消耗速率和維持系數(shù)的定義？3. 分批發(fā)酵中菌體生長一般經(jīng)歷哪幾個階段？簡述各階段菌體生長的特點。4. 發(fā)酵動力學的定義，研究發(fā)酵

14、動力學的目的5. 研究發(fā)酵動力學方法有哪兩種？6. 寫出 Monod 方程，其使用條件是什么？各參數(shù)的意義與求解？7. 根據(jù)產(chǎn)物生成與菌體生長的關(guān)系，可將分批發(fā)酵分為哪幾種類型，用公式進行表述。 這種分類方法對實際生產(chǎn)有何指導意義？8. 什么是連續(xù)培養(yǎng)的稀釋率？9. 恒化器和恒濁器的定義。10. 解釋連續(xù)培養(yǎng)富集微生物的原理？第七章 思考題1. 為什么氧容易成為好氧發(fā)酵的限制性因素？2. 什么是比耗氧速度和呼吸強度？3. 什么是臨界飽和溶氧濃度、臨界溶氧濃度、氧飽和度？微生物的臨界溶氧濃度一般多 少？4. 影響微生物需氧的因素有哪些？5. 寫出發(fā)酵液中的氧體積傳遞方程。其中KLa的物理意義是什

15、么？6. 如何調(diào)節(jié)搖瓶發(fā)酵的供氧水平？如何調(diào)節(jié)通氣攪拌發(fā)酵罐的供氧水平？7. 如何測定發(fā)酵液中的溶氧濃度，以及發(fā)酵罐的 Kla?8. 氧的供需研究與反應器設計與放大的關(guān)系？9. 發(fā)酵過程中溶氧濃度監(jiān)控的意義？第八章 思考題1. 發(fā)酵過程的參數(shù)檢測有什么意義？生產(chǎn)中主要檢測到參數(shù)有哪些？2. 發(fā)酵過程糖代謝、氮代謝有什么規(guī)律，為什么？3. 測定菌的生長采取哪些方法？不同種的微生物各采取什么方法合適？4. 發(fā)酵過程為什么要補料？補些什么？5. 補料過多或過少對發(fā)酵有什么影響？6. 高濃度磷抑制刺激代謝產(chǎn)物合成的機理是什么？7. 接種量和接種種齡對發(fā)酵有什么影響？8. 發(fā)酵過程的溫度會不會變化？為什

16、么？9. 發(fā)酵熱的定義。10. 生物熱的大小與哪些因素有關(guān)？11. 溫度對發(fā)酵有哪些影響？12. 發(fā)酵過程溫度的選擇有什么依據(jù)？13. 根據(jù)微生物對溫度的依賴可分類成哪幾類微生物？14. 微生物對溫度要求不同的原理是什么？15. 發(fā)酵過程中 pH 會不會發(fā)生變化為什么？16. pH 對發(fā)酵的影響表現(xiàn)在哪些方面？17. 為了確定發(fā)酵的最佳 pH, 我們該如何實驗？18. 發(fā)酵過程的 pH 控制可以采取哪些措施？19. 呼吸商的定義？二氧化碳對發(fā)酵有哪些影響？20. 泡沫對發(fā)酵有哪些有益之處，哪些有害之處？21. 發(fā)酵中泡沫形成的原因是什么？22. 沒有外界作用力泡沫是否穩(wěn)定？在什么條件下泡沫會穩(wěn)

17、定？23. 羅氏假說對泡沫穩(wěn)定的條件作了如何假釋？24. 植物油的消泡機理是什么？25. 對消泡劑有哪些要求？26. 常用的消泡劑有哪幾類？27. 對于黏稠的發(fā)酵液應選怎樣的消泡劑，對于較稀的發(fā)酵液應選怎樣的消泡劑？28. 如何判斷發(fā)酵終點？29. 染菌對發(fā)酵有什么危害，對提煉有什么危害？30. 有哪些原因會引起染菌？31. 染菌以后應采取什么措施？32. 為什么會感染噬菌體？感染了噬菌體后應采取哪些措施？33. 用于在線檢測的傳感器必須符合哪些要求？34. pH 電極的指示電極能測定 pH 值的原理是什么？35. pH 電極的測量范圍有沒有限制？使用時應注意哪些問題？36. 溶氧電極能夠測定

18、液體中溶氧濃度的原理是什么？37. 影響溶氧電極測定的靈敏度和準確性的因素有哪些？38. 哪些儀器可以測定尾氣氧和尾氣二氧化碳？測定原理是什么？39. 利用基因工程菌生產(chǎn)，有什么優(yōu)勢？常用的宿主菌有哪些？40. 利用基因工程菌生產(chǎn)有哪些特點？41. 重組菌基因不穩(wěn)定性的原因有哪些？42. 在基因工程菌培養(yǎng)過程中為什么質(zhì)粒會丟失？43. 基因工程菌高表達的障礙是什么？44. 常規(guī)的高密度培養(yǎng)的措施有哪些？45. 重組菌與傳統(tǒng)微生物在產(chǎn)物表達上有什么區(qū)別？46. 與大腸桿菌相比酵母作為宿主菌有什么優(yōu)點？47. 重組菌與傳統(tǒng)菌在發(fā)酵過程控制中有哪些相同之處？48. 重組大腸桿菌的誘導因子有哪些？重組

19、酵母的誘導因子有哪些？第九章 思考題1. 什么是分解代謝阻遏？2. 什么是反饋抑制和反饋阻遏？比較誘導與反饋阻遏作用的分子水平機制。3. 試舉兩種可行的避開末端代謝產(chǎn)物反饋調(diào)節(jié)的方法。4. 敘述分支代謝途徑的三種調(diào)節(jié)方式：同工酶、協(xié)同反饋調(diào)節(jié)和積累反饋調(diào)節(jié)。5. 為什么氧不利于酵母 EMP途徑，而有利于HMS途徑？6. 溶氧對參與散羧酸循環(huán)的酶和呼吸鏈的酶有何影響？7. 什么是代謝工程？代謝流分析和代謝控制分析？8. 什么是代謝網(wǎng)絡中的節(jié)點？有哪幾類？如何判斷？第十章 思考題1. 有哪些常用的動物細胞培養(yǎng)方法？各自有何優(yōu)點？2. 什么是動物細胞懸浮培養(yǎng)法？3. 動物細胞培養(yǎng)的條件控制有何要求？4. 植物細胞培養(yǎng)用培養(yǎng)基的主要組成是什么？如何選擇培養(yǎng)基？5. 植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)的方式有哪些？6. 影響植物細胞培養(yǎng)的因素有哪些？第十一章 思考題1. 常用的通氣發(fā)酵罐有哪幾種類型？2. 機械攪拌發(fā)酵罐的基本要求是什么？攪拌