《生化反应工程》课程教学大纲

PAGE1-本科生课程大纲课程名称生化反应工程（BiochemicalReactionEngineering）课程代码081703101201课程属性专业知识课时/学分64/4课程性质必修实践学时0责任教师课外学时64课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修课程介绍1.课程描述：生化反应工程，是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，其在生物工业中起着举足轻重的作用。从学科分类看，生物反应工程是生物工程的核心。本课程主要包括酶的制备与修饰改造、生物反应动力学和生物反应器三个部分。酶的制备与修饰改造部分着重介绍酶的发酵、分离和结构修饰与分子改造的方法。动力学部分着重讨论酶促反应过程与微生物反应过程的基本动力学规律：均相酶反应动力学、细胞反应动力学和固定化生物催化剂反应动力学。生物反应器部分着重介绍了理想的间歇操作反应器、连续操作反应器（CSTR和CPFR）、半连续操作反应器、反应器的传递特性和生化反应器的设计与放大。2.设计思路：“生化反应工程”是生物工程专业的一门最重要的专业核心课之一。经过多年的探索总结，本课程确立了培养学生自主获取知识能力的教学理念，以培养学生的科学素养、工程思维为目标，逐步建立了一套与现代化教学手段相适应的教学体系和教学方法，形成了以课堂讲授与实例分析相结合的教改特色，从而培养学生解决生物技术产业化中关键问题的能力，达到培养创新创业人才的目的。（1）课程引入，生动有趣通过“石油经济正在向生物经济发展”、“生物经济将引领世界经济形态”、“工业生物技术正在引领全球制造业的重大变革”、“中国的生物技术与产业迎来历史机遇”等案例和知识引导学生了解以生物催化剂为核心内容、以生物反应工程为核心技术的生化反应工程技术（又称工业生物技术）是继医药生物技术、农业生物技术之后，国际生物技术发展的“第三次浪潮”，其地位已经被提到空前的战略高度，激发学生学习本课程的自豪感和使命感。同时通过引入生动有趣的“弗莱明发现青霉素的历程故事”激发学生对课程的求知欲望；结合“弗莱明与英国病理学家弗洛里以及生物化学家钱恩共同获得1945年诺贝尔生理学和医学奖”的故事，教授学生团队合作与学科交叉的重要性。（2）案例教学，突出应用本课程讲授过程最大的愿望就是通过课堂讲授，让大家学会针对生产过程的问题，通过数学工程思维来分析问题的根源，并依据具体的数学公式理性的提出解决方案，而不是单纯依靠传统的因素优化实验。这是一种重要的工程思维的讲授和形成过程。因此，在每一章节开始之前，都会通过启发性教学和创新性教学相结合，将生物产业最新案例如“鸟苷产品细胞反应过程优化”、“青霉素发酵生产过程”和“维生素B12发酵放大”等国内外生物产业存在的实际问题进行讲解，并提出当时的产业化瓶颈，引出“如何通过本章节要讲授的生化反应工程相关知识发现问题、分析问题、提出解决问题的方案”引起学生关注点突出章节内容的应用性。并且在章节内容学习完之后，让学生利用讲授的知识分组讨论，尝试通过生化反应工程知识解决上述产业技术难题，实现教学效果的当堂评价。实施结果表明，激发了学生学习的好奇心，以批判的态度在学习过程对学习内容进行思考和质疑，学生学习兴趣和对尝试、失败等方面的适应能力增强；教学效果评价及时，学习效率显著提高。（3）团队合作，因材施教围绕生化反应工程在生物产业以及科学研究中的应用，让学生分组讨论理论知识如何在生物产业和科学研究中实现应用。要求学生必须针对当前生物产业过程存在的问题，用自己的知识进行分析，并通过撰写报告、进行PPT报告和讨论。该方式不仅可以起到以往强调的巩固和深化所学专业知识的目的，而且提高学生发现－分析－解决问题的学习方法。同时可以培养学生的团队合作意识，学会接受不同的观点，并在碰撞过程形成统一的见解。同时，注意因材施教。在保证全体学生达到教学目标的前提下，针对学有余力、成绩突出的学生，结合学生正在进展的OUC-SRDP等科研创新活动，让学生在科研实践过程中应用本课程所学的知识。充分利用自身科研项目与本课程的关联性，为优秀学生提供利用本课程知识独立进行科学研究的平台。尤其是为了突出课程的应用性，进一步以自身研究成果为载体，指导优秀学生参加“挑战杯”创业计划竞赛。通过课堂教学的补充，充分激发优秀学生的创新创业热情，培养学生的工程意识和创新精神，提高了学生的工程实践能力和科研创新能力。（4）课后作业，主动学习突出本课程是生物工程专业最重要且难度最大的核心课程的特点，针对学习过程中不仅涉及微生物和酶、生物化学的知识，还有大量数学计算的过程，更重要的是还有工程问题解决和应用的问题，因此学生既要从微观上掌握生物催化剂的反应，又要根据反应过程学会用数学工程思维来解释反应过程，更要将反应和计算的知识应用到解决实际问题的过程。始终对学生强调“生化反应工程”实际上不是64学时，是64课时；即除了课堂上的64课时，还应有课下自学的64学时。因此，课下给学生布置适量作业，对于课堂上一些重要的推导过程，有针对性的讲授清楚最典型的反应动力学过程和产业化难题解决过程的意义，简单教授推导过程；课下由同学们作为作业自行详细推导，便于加深理解、巩固知识，同时培养学生主动学习的良好习惯。3.课程与其他课程的关系：本课程属于生物工程专业的一个重要组成部分和化学反应工程的一个分支，是为了生物工程专业学生在学完《生物化学》和《化工原理》等课程后，为拓展知识面而开设的一门必修专业课。在掌握生物化学和化工原理基础知识的基础上，学习解决生物反应过程中具有普遍意义的特殊工程技术问题和生化反应过程涉及的反应设备问题。二、课程目标本课程的教学目标是要求学生掌握生物反应过程动力学基本规律，掌握生物反应器的基本理论和设计的基本方法，了解本领域国内外的研究进展。建立生化过程的工程学概念与工程意识，能够通过运用所学的理论知识进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、扩大、操作和优化控制。学会使用上述工程原理与方法来处理生物技术的工程放大与生产应用问题。三、学习要求在讲授“生化反应工程”的过程中，要求学生配合老师根据生化反应工程教学内容设计在教学实施中随堂评价设计教学目标的达成度。（1）首课摸底，掌握基础在第一节课上，以生物产业中与生化反应工程技术紧密相关的难题作为摸底考试题目（主观论述题和综合应用题），考查学生学习本课程之前对生化反应工程的了解情况；学生从一开始就带着思考和问题来学习本课程。本摸底考试不作为期末考试的评价依据，但是期末考试的题目与本次摸底考试的题目有关联性。鉴于摸底考试题目的主观性和综合性，通过期末考试学生的答题情况基本可以反馈出本课程教学内容的达成度。（2）听课记录，聚精会神制作统一的《听课记录》，要求学生每节课记录本节课内容提纲，课堂提问、讨论、思考问题答案，课后学习委员统一复印，复印件学生留在手中用于课下自学，原件交给老师。这一手段的实施，主要是要求全体学生必需认真听讲，提高课堂学习效率；一些讨论的答案也可以反映出学生上课讨论的参与程度；同时学生在学习过程中始终跟随老师的进度，并在宏观上了解本节课学习的框架结构，便于课下自学，强化了教学过程学生的参与度。（3）问题导入，提高自信针对每节课学习的知识点，在课前以“问题导入模式”，将于本章节知识点相关的产业案例关键技术难题抛给学生，要求学生大胆思考，一方面可以评价学生预习的效果，另外一方面让学生从开始就了解即将学习知识的用武之地。在完成本章节知识点的讲授以后，立即针对课前导入的问题进行测试，达到随堂评价教学目标达成度的目的，及时掌握学生的学习状态，有针对性的开展教学工作。（4）教研相长，合作学习学生根据本课程的内容，检索文献，写一篇2000字左右的综述。要求综述的主题围绕生化反应工程在生物产业以及科学研究中的应用，针对检索的文献，对文献中的生化反应工程研究进行评价，并结合自身所学的课程对其展开分析，突出自己的观点。通过此次综述的撰写，把课堂所学理论知识巩固一遍，并且突出理论联系实际的过程，重点理解课堂上的理论知识如何在生物产业和科学研究中实现应用。在完成上述论文综述基础上，分组对本课程主要内容进行总结凝练，突出知识点与实际案例的关联性，形成PPT讲稿，给同学们讲述本章知识点的应用，达到复习巩固和实践应用的目的。为量化小组学习的教学目标达成度，制定了详细的评价标准和细则，分为“小组展示互评”和“小组内合作互评”两部分。“小组展示互评”的目的是给大家提供一次客观批判性对待同学们的团队合作，且能够获得有建设性意见的反机会，评分标准包括内容、组织结构、形象化和其他材料的运用、展示的总体感觉等四部分；“小组内合作互评”的目的是给大家提供对本组成员的工作进行点评和评价的机会。这项评估不仅体现了小组作品的结果展示，还包括小组展示的准备过程，评分标准包括参与度、聆听、反馈、创新和可行性建议的贡献度等四部分。通过量化评价标准，来考核学生对知识应用和团队合作的达成度。（5）科学考核，体现效果本课程最终的考核成绩由平时成绩和期末考试成绩构成，平时成绩占40%课下作业、课堂讨论及平常表现30%，平时测验10%）；期末考试占60%。平时成绩依据“听课记录”、“问题导入模式中的随堂考试”、“课后作业及其达成度评价”、“论文综述”和“分组学习讨论”的成绩做出计算，期末考试为闭卷考试。通过上述评价体系，能够合理的反映出本课程教学目标的达成度，指导进一步的教学改革和教学内容完善。四、教学进度序号专题或主题计划课时主要内容概述1总论（或绪论、概论等）21.1生化反应工程背景介绍1.2生化反应工程的定义1.3生化反应工程的目的、内容和方法1.4生化反应工程的特征1.5生化反应工程的主要发展趋势和成果1.6生化反应工程的主要内容1.7本章小结2酶的应用42.1酶在医药方面的应用2.2酶在食品方面的应用2.3酶在轻工、化工方面的应用2.4酶在环境保护方面的应用2.5酶在生物技术方面的应用2.6酶在海洋生物资源开发方面的应用3微生物发酵产酶43.1微生物细胞中酶生物合成的调节3.2产酶微生物的特点3.3发酵工艺条件及其控制4细胞反应动力学44.1细胞反应概论4.2细胞反应过程计量学4.3细胞反应动力学4.4底物消耗与产物生成动力学4.5细胞反应动力学参数估算5酶的提取与分离纯化45.1细胞破碎5.2提取5.3沉淀分离5.4离心分离5.5过滤与膜分离5.6层析分离5.7电泳分离5.8萃取分离5.9结晶5.10浓缩与干燥6酶分子修饰66.1金属离子置换修饰6.2大分子结合修饰6.3侧链基团修饰6.4肽链有限水解修饰6.5核苷酸链剪切修饰6.6氨基酸置换修饰6.7核苷酸置换修饰6.8物理修饰6.9酶分子修饰的应用7酶定向进化57.1酶定向进化的特点7.2酶基因的随机突变7.3酶突变基因的定向选择7.4酶定向进化的应用8酶非水相催化48.1酶非水相催化的主要内容8.2有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应影响8.3没在有机介质中的催化特性8.4有机介质中酶催化反应的条件及其控制8.5酶非水相催化的应用9均相酶催化反应动力学59.1酶催化反应概论9.2单底物酶催化反应动力学9.3有抑制剂的酶催化反应动力学9.4复杂的酶催化反应动力学9.5酶反应过程的影响因素9.6酶的失活动力学10固定化生物催化剂及其反应动力学610.1固定化生物催化剂概论10.2酶固定化10.3细胞固定化10.4原生质体固定化10.5固定化对反应的影响10.6外扩散限制效应10.7内扩散限制效应10.8扩散影响下的表观动力学10.9固定化微生物细胞发酵产酶10.10固定化微生物原生质体发酵产酶11理想操作反应器811.1生物反应器概论11.2间歇操作反应器11.3连续操作反应器（CSTR）11.4连续操作反应器（CPFR）11.5半连续操作反应器12反应器的传递特性412.1反应器传递特性概论12.2氧的传递12.3反应器的流动特性12.4反应器的传热特性13生化反应器的放大813.1反应器设计与放大概论13.2机械搅拌生物反应器结构13.3搅拌器功率与搅拌作业功率13.4体积传质系数kLa的计算13.5机械搅拌生物反应器的传热13.6放大原理与放大准则13.7机械搅拌罐的放大五、参考教材与主要参考书1、选用教材（告知学生需要购买的教材）戚以政、夏杰、王炳武：生物反应工程，化学工业出版社，2009.8第二版郭勇：酶工程，科学出版社.2016.12、主要参考书国外1975年日本学者合叶修一等《生物化学工程反应动力学》1979年日本学者山根恒夫《生物