细胞工程原理教学大纲-长沙医学院

1、发酵工程教 学 大 纲（ 适用本科生物技术专业）长沙医学院基础医学系生物技术教研室发酵工程教学大纲课程编码：03220170课程名称：发酵工程(Fermetation engineering )学分：4总 学 时：72 学时理论学时：36 学时实验学时：36 学时先修课程要求：生物化学、微生物学等课程适应专业：生物技术教材：1.生化生产工艺学， 梅乐扣主编，科学出版社，2010年。参考教材：1. 发酵工程原理与技术，陈坚主编，化学工业出版社，2012年。2. 发酵工程原理与技术应用，余龙江主编，化学工业出版社，2011 年。3. 生物分离原理与技术，欧阳平凯主编，化学工业出版社，2010 年。

2、4. 新编生物工艺学，俞俊棠主编，化学工业出版社，2011 年。5. 发酵工程，徐岩等编著，高等教育出版社，2011 年。一、课程在培养方案中的地位、目的和任务生物技术是当今六大高新技术之一，它具有涉及领域宽、涵盖范围广、基础性强的特点，是现代生物学与相关学科交叉融合发展的产物。而发酵工程是生物技术的主要内容之一。它是应用微生物为工业大规模生产服务的一门工程技术，是生物工程的主要组成部分。发酵工程是生物技术(本科)的一门专业必修课。它研究从投入原料到产出最终产品的整个过程。包括微生物菌种的选育、培养基的特性及设计、发酵条件的优化与过程控制、发酵产品的提取精制、发酵设备等。本课程的教学目的是使学

3、生掌握有关发酵工程的基本知识、最新进展与发展趋势， 使学生了解发酵的工艺原理，懂得用这些基本的理论去分析和解决微生物工业生产中的具体问题，同时使学生初步具有选育优良菌种、合理控制与优化发酵条件，使生产过程连续化、自动化，探求新工艺、新设备和从事发酵工程研究和设计的能力。二、课程基本要求本课程作为生物技术专业的重要专业必修课，是为学生了解相关发酵知识、掌握发酵产品的生产工艺而开设的，因而在讲课过程中一方面要讲述发酵工程学科的理论知识，另一方面也要介绍典型产品的发酵生产。通过本课程的学习，应达到以下要求：1 .掌握微生物菌种选育、保藏的基本知识；2 .掌握微生物培养基的配制、灭菌等方法；3 .掌握

4、微生物发酵工艺及其控制措施；4 .掌握生物反应的类型及特点，结构；5 .了解典型发酵产品的生产工艺；6 .了解发酵工厂设计及其发酵经济学、学时安排授课内容总学时理论 学时实验 学时备注第1章绪论33第2章工业微生物基础1358第3章培养基设计与淀粉制糖工艺33第4章培养基和空气灭菌1369第5章氧的供需与传递33第6章生物反应器523第7章发酵染菌及具防治33第8章发酵过程的工艺控制18612第9章动物细胞的大规模培乔00第10章植物细胞大规模培养00第11章生物物质分离与纯化00第12章 生化生产过程与工艺设计基础00第13章生化生产经济学评价00第14章 生化生产工艺实例简介55总计683

5、632四.考核考核方式：本课程采用闭卷考试；考勤、课堂提问、小测验和作业完成情况。成绩构成：期末考试占70%平时彳业占30% （包括考勤、课堂提问、实验和作 业完成情况等占30%五、课程基本内容第一章绪论目的要求1 .掌握什么是发酵工程；2 .了解发酵工程与相关学科的联系，及他的研究内容；3 . 了解发酵的发展简史 讲课时数 3 学时 教学内容1. 发酵工程的定义2. 发酵工程的发展简史3. 现代发酵工程研究的主要内容和重要应用。 教学方法 讲授法启发式 教学手段 多媒体教学第二章 工业微生物的基础 目的要求 1. 掌握工业微生物菌种的分离、选育及改良；2. 掌握微生物菌种的保藏方法；3. 掌

6、握微生物菌种的培养与扩大培养；4. 熟悉微生物的特点和常见的工业微生物； 讲课时数 5 学时 教学内容1. 常见的工业微生物2. 工业微生物菌种的分离与选育3. 工业微生物菌种的改良4. 工业微生物菌种的保藏5. 工业微生物菌种的培养与扩大 教学方法 1. 讲授法 启发式2. 自学内容微生物的特点 教学手段 多媒体教学第三章 培养基的设计和淀粉制糖工艺 目的要求 1. 掌握淀粉制糖工艺2. 熟悉最佳培养基的组成的确定，用于工业发酵的培养基3. 了解微生物的营养物质和营养类型，培养基的分类、选择和配制原则 讲课时数 3 学时 教学内容第一节 微生物的营养物质和营养类型、微生物的营养物质一）水分二

7、）碳源物质（三）氮源物质（四）无机元素（五）生长辅助物质（六）气体二、微生物的营养类型（一）光能自养微生物（二）光能异养微生物（三）化能自养微生物（四）化能异养微生物第二节 培养基的分类、选择和配制原则一、培养基的分类二、培养基的选择三、培养基的配制原则第三节最佳培养基组成的确定第四节用于工业发酵的培养基一、工业上经常使用的碳源二、工业上常用的氮源三、常用的无机元素四、添加前体物质和代谢调节物质第五节 淀粉质糖工艺一、淀粉水解制糖的方法（一）酸解法（二）酶解法（三）酸酶结合法二、淀粉酸水解工艺（一）酸水解法原理1. 水解反应2. 葡萄糖复合反应3. 葡萄糖的分解反应（二）酸水解工艺流程（三）酸

8、水解条件选择及控制1. 淀粉的质量2. 淀粉乳浓度3. 酸的种类和用量4. 糖化温度、压力和时间5. 淀粉中蛋白质等杂质对糖液质量的影响6. 糖化终点的控制和检查（四）水解糖液的中和、脱色和过滤1. 中和2. 脱色3. 过滤（五）酸水解制糖过程的实例三、淀粉酶水解法制糖工艺（一）淀粉酶的水解作用（二）淀粉液化的条件及液化程度的控制1. 淀粉的糊化与老化2. 液化的方法与选择（三）低压蒸汽喷射液化工艺及条件1. 工艺流程2. 淀粉液化条件对酶反应的影响3. 液化程度的控制四、糖化工艺（一）糖化酶的水解作用（二）糖化工艺的条件及控制五、不同制糖工艺的比较 教学方法讲授法启发式 教学手段多媒体教学第

9、四章 培养基和空气灭菌 目的要求1. 掌握（1）湿热灭菌的动力学、温度和时间及影响因素（ 2）培养基的间歇、连续灭菌法（ 3）空气过滤除菌的原理2. 熟悉（1）灭菌原理与方法（ 2）空气灭菌的要求和除菌流程3. 了解（1）空气过滤除菌的介质（ 2）提高过滤除菌效率的措施 讲课时数 6 学时 教学内容第一节 灭菌的原理和方法一、灭菌的方法（一）化学试剂灭菌法（二）电磁波、射线灭菌法（三）火焰灭菌法（四）干热灭菌法（五）湿热灭菌法（六）过滤除菌法二、热灭菌的原理第二节 湿热灭菌原理和影响因素一、灭菌动力学（一）对数残留定律（二）非对数残留定律二、灭菌的温度和时间三、影响灭菌的因素（一）培养及成分（

10、二）培养基的物理状态（三）培养基的pH（四）培养基中的微生物数量（五）微生物细胞中的水含量（六）微生物细胞的菌龄（七）微生物的耐热性（八）空气排除情况（九）搅拌（十）泡沫第三节 培养基灭菌一、间歇灭菌（一）间歇灭菌的计算（二）间歇灭菌的操作二、连续灭菌三、间歇与连续灭菌的比较第四节 空气灭菌一、空气灭菌的方法和要求（一）热灭菌法（二）辐射杀菌（三）静电除菌（四）介质过滤除菌二、空气过滤除菌流程（一）两级冷却、加热除菌流程（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程（三）高效前置过滤空气除菌流程（四）将空气冷却至露点以上的流程三、空气的过滤除菌原理（一）布朗扩散截留作用（二）惯性撞击截留作用（三）阻拦截

11、留作用（四）重力沉降作用（五）静电吸引作用四、空气过滤除菌的介质（一）纤维状或颗粒状过滤介质（二）过滤纸类介质（三）微孔滤膜类过滤介质五、提高过滤除菌效率的措施 教学方法讲授法 教学手段多媒体教学第五章 氧的供需与传递 目的要求1. 掌握（1）培养过程中氧的传质理论（ 2）影响氧传递速率的主要因素（ 3）控制溶解氧的工艺手段2. 熟悉（1）细胞对氧的需求（ 2）溶解氧的测定方法（ 3）氧传递系数的测定方法3. 了解溶解氧新概念 讲课时数 3 学时 教学内容第一节 细胞对氧的需求第二节 培养过程中氧的传质理论一、气-液相间的氧传递二、液-固相间的氧传递三、细胞团内的氧传递四、氧传递速率的与细胞呼

12、吸的关系五、氧传递系数的关联第三节 溶解氧的测定方法一、化学法二、极谱法三、复膜氧电极法四、压力法第四节 传递系数的测定一、亚硫酸盐氧化法二、取样极谱法三、物料衡算法四、动态法五、排气法六、复膜电极测定KLa第五节 影响氧传递系数的主要因素一、溶液性质对氧的溶解度的影响二、气液比表面积三、影响氧传递系数的一些因素第六节 控制溶解氧的工艺手段一、改变通气速率二、改变搅拌速度三、改变气体组成中的氧分压四、改变罐压五、改变发酵液的理化性质六、加入传氧中间介质第七节 溶解氧的新概念 教学方法 讲授法 教学手段 多媒体教学第六章 生物反应器 目的要求 4. 掌握机械搅拌型微生物细胞反应器、机械搅拌自吸式

13、反应器、气升式环流反应器、高位塔式生物反应器、基因工程菌生物反应器的结构和优缺点5. 熟悉 生物反应器的分类6. 了解（ 1）生物反应器设计的目标和原则（ 2）生物反应器放大 讲课时数 2 学时 教学内容第一节生物反应器设计的目标和原则第二节生物反应器的分类第三节微生物细胞反应器一、机械搅拌型微生物细胞生物反应器（一）反应器结构和功能7. 罐体8. 控温部分9. 搅拌部分10. 通气部分11. 进出料口12. 测量系统13. 消泡装置14. 附属装置（二）反应器的搅拌功率二、机械搅拌自吸式反应器三、气升式环流反应器四、高位塔式生物反应器五、基因工程菌生物反应器 教学方法 讲授法自学 生物反应器

14、的放大 教学手段 多媒体教学第七章 发酵染菌及其防治 目的要求 1、掌握（ 1）发酵染菌的检查、判断（ 2）发酵染菌的分析（ 3）杂菌染菌的挽救和处理（ 4）菌种退化及其防治2、熟悉（ 1）发酵染菌的原因（ 2）发酵对染菌的影响3、了解（ 1）种子培养和发酵异常的现象 讲课时数 3 学时 教学内容第一节 发酵染菌的分析一、种子培养和发酵的异常现象二、染菌的检查、判断（一）显微镜检查法（二）肉汤培养法（三）平板划线培养或斜面培养检查法（四）发酵过程的异常现象观察法1. 溶解氧水平异常变化2. 排气中的二氧化碳异常变化三、发酵染菌原因四、发酵染菌的分析（一）发酵染菌的规模分析（二）不同污染时间分析

15、（三）染菌的杂菌种类分析第二节 染菌对发酵的影响一、染菌对不同发酵过程的影响二、杂菌的种类和性质对发酵过程的影响三、染菌发生的时间不同对发酵的影响四、染菌程度对发酵的影响第三节 杂菌染菌的挽救或处理一、种子培养期染菌的处理二、发酵前期染菌的处理三、发酵中、后期染菌的处理四、染菌后对设备的处理第四节 菌种退化及其防治一、菌种退化的原因（一）环境条件引起菌种退化（二）菌种自身突变引起的菌种退化（三）突变不完全造成菌体遗传组成的差异二、菌种退化的防治（一）退化菌种的复壮（二）提供良好的环境条件（三）进行合理的传代（四）采用优良的保藏方法（五）定期纯化菌种第五节 杂菌染菌的途径和防治一、种子带菌及其防

16、治二、空气带菌及其防治三、设备渗漏或死角造成的染菌及其防治（一）盘管的渗漏染菌（二）空气分布管的死角染菌（三）发酵罐的渗漏或死角染菌（四）管路的安装或管路的配置不合理形成的死角染菌（五）管件的渗漏形成的染菌四、培养基灭菌不彻底导致染菌（一）原料性质不一造成灭菌不匀而染菌（二）灭菌时温度与压力不对应造成染菌（三）灭菌过程中产生的泡沫造成的染菌（四）连续灭菌维持时间不够而造成的染菌（五）灭菌过程中的压力剧变而造成染菌五、一些仪器探头等灭菌不彻底造成的染菌六、噬菌体染菌及其防治 教学方法讲授法启发式 教学手段多媒体教学第八章 发酵过程的工艺控制 目的要求1. 掌握（ 1）微生物分批培养生长速度的动力

17、学方程（ 2）补料分批培养的优点（ 3）温度对微生物细胞生长和发酵代谢产物的影响（ 4）发酵过程中温度的控制和最适温度的选择（5） pH对发酵过程的影响（6）发酵过程中pH的控制（ 7）发酵过程中泡沫的消除及控制2. 熟悉（ 1）分批培养各时期的特点（ 2）分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学（ 3）补料分批培养的类型（ 4）连续培养（ 5）发酵热（6）发酵过程中pH的变化情况（ 7）发酵过程中泡沫的产生极其对发酵过程的影响（ 8）流加补料的控制3. 了解（ 1）补料分批培养的动力学（ 2）发酵工艺最优化（3） CO的影响极其控制 讲课时数 6 学时 教学内容第一节 微生物发酵的动力学

18、一、分批培养（一）停滞期（二）对数生长期（三）稳定期（四）死亡期二、微生物分批培养生长速度的动力学方程三、分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学方程第二节 补料分批培养一、补料分批培养的类型二、补料分批培养的动力学三、补料分批培养的优点第三节 连续培养第四节 发酵工艺控制最优化第五节 温度对发酵过程的影响极其控制一、温度微生物细胞的生长和发酵代谢产物的影响二、发酵热三、发酵过程温度的控制和最适温度的选择第六节pH对发酵过程的影响和控制1. pH 对发酵过程的影响二、发酵过程中pH的变化情况三、发酵过程中pH对的控制第七节 泡沫对发酵过程的影响和控制一、发酵过程中泡沫的产生及其对发酵过程的

19、影响二、发酵过程中泡沫的消除和控制第八节 流加补料的控制 教学方法讲授法 教学手段多媒体教学第九章 动物细胞的大规模培养 目的要求1. 掌握（ 1）动物细胞培养方法（ 2）动物细胞培养技术2. 熟悉（ 1）动物细胞培养生物反应器（ 2）动物细胞培养基养基3. 了解（ 1）动物细胞大规模培养工艺 讲课时数 2 学时 教学内容第一节 动物细胞培养一、动物细胞培养的环境（一）温度2. ） pH（三）营养成分（四）溶氧及气体环境（五）渗透压等其他因素二、培养基的组成三、常用的合成培养基第二节 动物细胞培养方法一、悬浮培养二、贴壁培养三、固定化培养第三节 动物细胞培养反应器 一、气升式细胞培养生物反应器

20、 二、中空纤维管生物反应器 三、通气搅拌生物生物反应器 四、流化床生物反应器 五、无泡沫搅拌生物反应器第四节 动物细胞培养技术第五节 动物细胞大规模培养工艺 教学方法 讲授法 教学手段 多媒体教学第十章 植物细胞的大规模培养 目的要求 1、掌握（ 1）掌握植物细胞培养的因素2、熟悉（ 1）植物细胞培养基养基（ 2）植物细胞的大规模培养技术（ 3）植物细胞培养方法3.了解（ 1）植物细胞培养反应器 讲课时数 2 学时 教学内容第一节 植物细胞培养基、植物细胞培养基 的组成、植物细胞培养基的制备第二节 植物细胞培养方法、单倍体细胞培养、原生质体培养六、固定化培养第三节 植物细胞大规模培养技术、植物

21、细胞的大规模悬浮培养、植物细胞或原生质体的固定化培养三、植物细胞培养方式第四节 影响植物细胞培养的因素一、细胞的遗传特性二、培养的环境条件（一）温度（二） pH（三）营养成分（四）光（五）搅拌和通气（六）生长调节剂（七）前体第五节 植物细胞培养反应器一、机械搅拌生物反应器二、鼓泡塔与气升式生物反应器三、填充床生物反应器四、流化床生物反应器五、膜生物反应器 教学方法 讲授法 教学手段 多媒体教学第十一章生物物质分离与纯化 目的要求 1、熟悉（ 1）培养液的预处理（ 2）培养液的固液分离（ 3）细胞的破碎（ 4）生物物质的分离传化方法2、了解（ 1）生物分离工艺介绍（ 2）动物细胞培养的下游工程（ 3）基因工程产物的分离纯化 讲课时数 0 学时 教学内容第一节培养液的预处理第二节培养液的固液分离第三节细胞的破碎第四节生物物质的分离纯化方法第五节生物分离工艺介绍第六节动物细胞培养的下游工程一、动物细胞培养产物蛋白质的分离纯化二、病毒的分离纯化第七节 基因工程产物的分离纯化工艺设计 教学方法 自学 教学手段 多媒体教学第十二章生化生产过程工程和工艺设计基础 目的要求 1、了解（ 1）生化生产过程工程设计（ 2）生产工艺流程设计（ 3）工艺计算 讲课时数0 学时 教学内容第一节 生化生产过程工程设计一、设计任务书和设计过程模