生物反應(yīng)工程 教學(xué)大綱

1、生物反應(yīng)工程 教學(xué)大綱課程名稱：生物反應(yīng)工程 課程編碼：0402380006英文名稱：Bioreaction Engineering 總 學(xué) 時(shí)：69（理論部分45學(xué)時(shí)） 總學(xué)分：3.5（理論部分2.5學(xué)分）適用專業(yè)：生物工程 課程類別：必修課程性質(zhì)：專業(yè)課先修課程：微生物學(xué)、生物化學(xué)、化工原理、高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)教 材：生物反應(yīng)工程原理（第三版）,賈士儒編著,科學(xué)出版社,2008一、課程性質(zhì)與任務(wù)生物反應(yīng)工程是一門以生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等多學(xué)科為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，它以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，將傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動(dòng)態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)方法與生物反應(yīng)過程的反應(yīng)特

2、性方面的知識(shí)相結(jié)合，進(jìn)行生物反應(yīng)過程分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作和控制等。生物反應(yīng)工程主要研究生物反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題，其在生物工業(yè)中起著舉足輕重的作用。從學(xué)科分類看，生物反應(yīng)工程在工業(yè)生物技術(shù)中占據(jù)核心地位。二、課程教學(xué)的基本要求：本課程總學(xué)時(shí)為69，包括45學(xué)時(shí)（2.5學(xué)分）的理論課和24學(xué)時(shí)（1學(xué)分）的實(shí)驗(yàn)課。理論部分包括生物學(xué)和工程學(xué)基礎(chǔ)、生物反應(yīng)工程基本理論和生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的最新進(jìn)展三個(gè)層次。其中生物學(xué)和工程學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容，獨(dú)立為一章，便于在教學(xué)中取舍。理論教學(xué)中突出培養(yǎng)工程思維能力這一主題。在第三部分增加了一些過程開發(fā)與放大等方面的新成果，拓展學(xué)生的視野，形成

3、了一個(gè)比較完整的課程理論體系。生物反應(yīng)工程基本理論主要包括生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器和生物反應(yīng)過程的放大三部分。動(dòng)力學(xué)部分著重討論酶促反應(yīng)過程與微生物反應(yīng)過程的基本動(dòng)力學(xué)規(guī)律，分別講述均相酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量和能量衡算、微生物反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)和動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。生物反應(yīng)器部分著重介紹了酶反應(yīng)器、微生物反應(yīng)器操作、生物反應(yīng)過程中的傳遞現(xiàn)象和生物反應(yīng)器等內(nèi)容。生物反應(yīng)過程的放大包括生物反應(yīng)器的比擬放大和新產(chǎn)品如何從實(shí)驗(yàn)室放大到商業(yè)化過程。生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展部分，結(jié)合本校科研實(shí)際和介紹生物過程放大過程與相關(guān)研究的新進(jìn)展。本課程要求學(xué)生掌握生物反應(yīng)

4、過程動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，掌握生物反應(yīng)器的基本理論和設(shè)計(jì)的基本方法，了解本領(lǐng)域國內(nèi)外的研究進(jìn)展，能夠通過運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行生物反應(yīng)過程的工程分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、擴(kuò)大、操作和優(yōu)化控制。三、課程內(nèi)容及教學(xué)要求：第一章 緒論第一節(jié) 生物反應(yīng)過程定義、目的和歷史沿革第二節(jié) 課程內(nèi)容及其相關(guān)的工程學(xué)基本概念本章基本內(nèi)容：本課程的學(xué)科性質(zhì)、研究內(nèi)容、及學(xué)科的形成與發(fā)展，提高工程思維能力的方法或途徑，本課程的學(xué)習(xí)方法。重點(diǎn)：本課程的學(xué)科性質(zhì)、研究內(nèi)容、及學(xué)科的形成與發(fā)展。難點(diǎn)：如何理解共性的工程技術(shù)問題；如何理解或掌握工程思維能力或方法。第二章 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第一節(jié) 酶與固定化酶的性質(zhì)第二節(jié) 利

5、用穩(wěn)態(tài)法和快速平衡法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程第三節(jié) 操作參數(shù)對(duì)酶促反應(yīng)的影響第四節(jié) 酶的抑制動(dòng)力學(xué)第五節(jié) 固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（2講）第六節(jié) 酶的失活動(dòng)力學(xué)本章基本內(nèi)容：酶與酶的應(yīng)用特點(diǎn)；固定化酶的特性；米氏方程；操作參數(shù)（溫度與pH）對(duì)酶促反應(yīng)的影響；抑制酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；多底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；酶的失活動(dòng)力學(xué)。重點(diǎn)：1.米氏方程。 2. 抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)的影響。 3. 外擴(kuò)散對(duì)酶促反應(yīng)的影響及Da準(zhǔn)數(shù)。難點(diǎn)：米氏方程的推導(dǎo)，限速階段的理解，固定化酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，如何理解傳質(zhì)過程與酶促反應(yīng)之間的關(guān)系，擴(kuò)散傳質(zhì)與酶促反應(yīng)的相互影響。第三章 微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 第一節(jié) 微生物反應(yīng)

6、過程的特點(diǎn)與計(jì)量學(xué)第二節(jié) 微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)第三節(jié) 微生物反應(yīng)過程的能量衡算 第四節(jié) 微生物生長動(dòng)力學(xué)第五節(jié) 基質(zhì)消耗與產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)本章基本內(nèi)容：微生物反應(yīng)的計(jì)量學(xué)與質(zhì)能衡算、微生物生長動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)和基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)。重點(diǎn)：碳源衡算；氧衡算；得率系數(shù)；Monod方程；Gaden的產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)模型。難點(diǎn)：細(xì)胞生長的非結(jié)構(gòu)模型與Monod方程及其應(yīng)用條件；得率系數(shù)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程之間的相互換算。第四章 微生物反應(yīng)器操作 第一節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作方式與分批式操作第二節(jié) 流加式操作（2講）第三節(jié) 連續(xù)式操作本章基本內(nèi)容：微生物反應(yīng)器的三種主要操作方式：分批式操作、流加式操作和連續(xù)式操作。重

7、點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)連續(xù)培養(yǎng)數(shù)學(xué)模型，連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件，沖出現(xiàn)象；連續(xù)操作存在的問題及應(yīng)用；指數(shù)流加數(shù)學(xué)模型；流加操作的控制與優(yōu)化。難點(diǎn)：不同操作方式下基質(zhì)、細(xì)胞與產(chǎn)物的狀態(tài)方程；流加操作的控制與優(yōu)化。第五章 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)第一節(jié) 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性第二節(jié) 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)本章基本內(nèi)容：動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。重點(diǎn)：動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn)以及與微生物細(xì)胞培養(yǎng)的比較；影響植物細(xì)胞培養(yǎng)過程中次生代謝產(chǎn)物積累的主要因素；動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)的生長模型。 難點(diǎn)：動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)的生長動(dòng)力學(xué)模型。第六章 生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程 第一節(jié) 生物反應(yīng)體系中的傳質(zhì)現(xiàn)象 第二節(jié) 體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定與主要影響

8、因素 第三節(jié) 發(fā)酵體系中的氧傳遞模型與溶氧方程和溶氧速率的調(diào)節(jié) 本章基本內(nèi)容：流體流變學(xué)特性，發(fā)酵液的流變學(xué)特性，氧傳遞理論，體積溶氧系數(shù)的測(cè)定，影響kLa的因素及其提高溶氧速率的措施。 重點(diǎn)：流體流變學(xué)特性；雙膜理論；kLa的測(cè)定方法、影響因素及提高措施。 難點(diǎn)：流體流變學(xué)特性；溶氧方程和溶氧速率的調(diào)節(jié)。第七章 生物反應(yīng)器及其工程放大第一節(jié) 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié) 酶反應(yīng)器分類及其操作參數(shù)第三節(jié) 理想的酶反應(yīng)器第四節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備（2講）第五節(jié) 嫌氣發(fā)酵設(shè)備第六節(jié) 生物反應(yīng)器的比擬放大本章基本內(nèi)容：生物反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)要點(diǎn)；酶反應(yīng)器；通用式發(fā)酵罐；嫌氣發(fā)酵設(shè)備和生物反應(yīng)器的比擬放大與實(shí)例。

9、重點(diǎn)：CPFR型酶反應(yīng)器操作方程；CSTR型酶反應(yīng)器操作方程；CPFR型與CSTR型酶反應(yīng)器的性能比較；常見的微生物反應(yīng)器。難點(diǎn)：CPFR與CSTR酶反應(yīng)器的操作方程；生物反應(yīng)器的比擬放大。第八章 生物反應(yīng)過程建模與分析第一節(jié) 生物反應(yīng)過程模型與分析 本章基本內(nèi)容：針對(duì)生物反應(yīng)過程瞬時(shí)多態(tài)性、非線性的特點(diǎn)，利用多元統(tǒng)計(jì)分析等計(jì)算方法，解決生物反應(yīng)過程復(fù)雜性的問題，借助建模工具，以具體科學(xué)研究的實(shí)例，開展生物反應(yīng)過程的建模與分析。重點(diǎn)：生物反應(yīng)過程的時(shí)空多態(tài)性、非線性；過程建模與分析的工具；常用的過程建模與分析的方法。難點(diǎn)：計(jì)算流體力學(xué)方法；多元統(tǒng)計(jì)分析方法的原理與應(yīng)用。第九章 生物反應(yīng)工程領(lǐng)域

10、的拓展第一節(jié) 通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備（2講）第二節(jié) 生物傳感器及相關(guān)技術(shù)進(jìn)展第三節(jié) 系統(tǒng)生物學(xué)第四節(jié) 微生物發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸（2講）第五節(jié) 微生物發(fā)酵生產(chǎn)GABA （2講） 第六節(jié) 壓力對(duì)生物催化反應(yīng)的影響第七節(jié) 細(xì)菌纖維素的生物合成及其應(yīng)用第八節(jié) 雙液相發(fā)酵第九節(jié) 發(fā)菜的人工培養(yǎng)及其應(yīng)用第十節(jié) 發(fā)菜固體界面培養(yǎng)與發(fā)菜多糖提取第十一節(jié) 發(fā)菜逆境適應(yīng)性研究及其高密度培養(yǎng)本章基本內(nèi)容：介紹固態(tài)發(fā)酵、生物傳感器技術(shù)、高強(qiáng)度發(fā)酵、超臨界與壓力對(duì)微生物發(fā)酵與生物催化的影響、雙液相生物反應(yīng)、微藻細(xì)胞深層培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)化過程等生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的新拓展。重點(diǎn)： 幾種典型微生物反應(yīng)工程原理與應(yīng)用；特殊生物反應(yīng)過程（加壓生物

11、反應(yīng)、雙液相生物反應(yīng)）的原理。難點(diǎn)：特殊生物反應(yīng)過程（加壓生物反應(yīng)、雙液相生物反應(yīng)）的原理。第十章 實(shí)驗(yàn)第一節(jié) 亞硫酸鹽氧化法測(cè)定溶氧體積傳遞系數(shù)kLa值第二節(jié) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定 第三節(jié) 膜法提取L-色氨酸實(shí)驗(yàn) 第四節(jié) 酵母細(xì)胞固定化實(shí)驗(yàn) 第五節(jié) 米曲制備及其品質(zhì)測(cè)定 第六節(jié) 發(fā)狀念珠藻細(xì)胞的光照生物反應(yīng)器培養(yǎng) 第七節(jié) 透明質(zhì)酸發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn) 第八節(jié) 啤酒釀造工藝實(shí)驗(yàn) 第九節(jié) 普魯蘭多糖發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn) 第十節(jié) 酒精發(fā)酵工藝實(shí)驗(yàn) 本章基本內(nèi)容：介紹與本課程相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括原理及基本操作。重點(diǎn)：亞硫酸鹽氧化法測(cè)定溶氧體積傳遞系數(shù)kLa、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定的基本原理與實(shí)驗(yàn)方法；光生物反應(yīng)

12、器中光傳遞與物質(zhì)傳遞的基本原理；細(xì)胞固定化的常用方法。難點(diǎn)：亞硫酸鹽氧化法中滴定與反滴定的方法的應(yīng)用；啤酒釀造過程的糖化工藝；微生物反應(yīng)器操作的常用方法；細(xì)胞固定化的常用方法等。四、課程學(xué)時(shí)分配(宋體4號(hào)字加粗)講 課 內(nèi) 容講課學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)（含各類實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)）合計(jì)學(xué)時(shí)第一章 緒論22第二章 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)77第三章 微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)55第四章 微生物反應(yīng)器操作44第五章 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)22第六章 生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程33第七章 生物反應(yīng)器77第八章 生物反應(yīng)過程模型與分析11第九章 生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展1414實(shí)踐性教學(xué)2424總計(jì)452469五、課程習(xí)題要求 課程習(xí)題通過課上講解與課后作業(yè)兩種方式進(jìn)行。六、課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求單元操作性實(shí)驗(yàn)（以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)生任選三項(xiàng)）12學(xué)時(shí)1. 亞硫酸鹽氧化法測(cè)定溶氧體積傳遞系數(shù)kLa值 4學(xué)時(shí)2.