《发酵工程与设备》课程教学大纲 课程编号： 课程名称：发酵工程与设备 总学时数：90 实验或上机学时：30 一、说明部分 1、课程性质 《发酵工程与设备》是生物工程专业的专业必修课，是工程制图、AutoCAD、微生物学、生物化学、物理化学和化工原理等课程的后续课程。 2、教学目标及意义 《发酵工程与设备》是一门实践性很强的学科，要求学生在学过上述先修课的基础上，通过本课程的学习，要求学生了解和掌握运用微生物发酵生产工艺过程的基本原理和方法，了解和掌握发酵过程的规律及不同发酵操作方式的特点和应用，了解和掌握不同类型的生物反应器工作原理，懂得如何应用这些基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有生产过程使其更符合客观规律，实现发酵过程的优化，提高生产过程的经济和社会效益。 3、教学内容及教学要求 本课程内容包括《发酵工程与设备》的研究状况；发酵菌种的筛选、驯化与保藏；微生物工业菌种与菌种的扩大培养、培养基的特性与配制、培养基和空气的灭菌或除菌、氧的供需、培养液的流变特性、生化过程的模型化与优化控制、生物反应动力学、生物反应器及培养装置等主要内容。它是应用微生物为工业大规模生产服务的一门综合性工程技术，对传统产业的改造和新兴产业的形成将发挥重要作用，并对人类社会产生深远的影响。 总学时按60学时安排。 4、教学重点、难点 （1）本课程的重点内容包括： ①培养基灭菌和空气除菌。 ②酶催化反应过程的基本动力学规律。 ③微生物反应过程的基本动力学规律及传递因素对反应动力学的影响及其处理方法。 ④生物反应中的氧在生物反应液中的传递机理及K La的测定。 ⑤不同类型的生物反应器的介绍。 （2）本课程的难点主要在于酶催化反应过程的基本动力学规律及微生物反应过程的基本动力学规律。 5、教学方法与手段 在本课程的讲解中，重点介绍主要概念、基本理论及分析和解决微生物反应过程中经常出现的问题和方法上，使学生通过本课程的学习，对生物反应过程有一个全面的、具有工程意识的认识。 本课程的教学方式为课堂讲授，多媒体教学为辅。通过简单动画的形式使学生了解复杂发酵过程及反应器的工作原理。 6、教材及主要的参考书 （1）俞俊棠，《生物工艺学》，上册，1991，华东理工大学出版社。 （2）华南工学院等，《发酵工程与设备》，1983，轻工业出版社。 （3）戚以政等，《生化反应动力学与反应器》，化学工业出版社。第二版。 （4）焦瑞身等，《微生物工程》，化学工业出版社。 （5）曹军卫，马辉文，《微生物工程》，科学出版社。　 （6）G. Stephanopoulos et al. Biotechnology. 1993. Vol 3. 355-400 （7）Nagai S. Advances in Biochemical Engineering. 1979. 11: 49-83 （8）S. J. Pirt. Principles of Microbial and Cell Cultivation. Blackwell Scientific Publications, 1975. （9）俞俊棠等. 生物工艺学（下册）. 华东理工大学出版社, 1991 二、正文部分 第一章 绪 论 一、教学要求 了解发酵工程的主要内容、发展历史、特点及生物化学工程的基本内容。 二、本章学时数：2学时 第二章 菌种的扩大培养 教学要求 了解实验室种子制备和生产车间种子制备阶段的菌种制备过程，并要求学生对种子质量的控制所采取的措施有所认识和了解。 重点掌握实验室种子制备和生产车间种子制备阶段的菌种制备过程。 二、教学内容 第一节 种子制备 知识要点：实验室种子制备阶段、生产车间种子制备阶段；种子质量的判断、影响种子质量的因素 第二节 种子质量的控制措施 知识要点：菌种稳定性的检查、杂菌检查 三、本章学时数：2学时 灭 菌 教学要求 了解培养基灭菌的方法，使学生认识到对培养基的灭菌过程是既保证无杂菌，又极大限度地降低对培养基中营养成分的破坏；了解发酵工厂常见的几种空气过滤除菌流程，并进行相关的参数计算；了解一般的空气过滤器培养基灭菌的结构及过滤介质。 掌握培养基的分批灭菌法及连续灭菌法；掌握对数穿透定律、过滤器的除菌机理及深层通风发酵法常采用的过滤除菌法。 二、教学内容 第一节 灭菌的方法 知识要点：灭菌的常用方法 第二节 培养基灭菌 知识要点：微生物的死亡速率；培养基的分批灭菌法；连续灭菌法。 第三节 空气除菌 知识要点：、对数穿透定律、深层过滤器除菌机理、空气过滤除菌流程、过滤介质类型 三、本章学时数：2学时 第四章 酶催化反应动力学 一、教学要求 了解酶催化反应动力学推导过程，从酶催化的动力学角度引导学生认识酶的催化作用，并使学生认识到酶反应过程中存在诸多复杂的抑制因素，这些因素对酶催化反应动力学的影响均可通过动力学模型来表达。 掌握如何通过实验数据获得动力学参数Km、rmax；竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合性抑制动力学；底物和产物抑制动力学。 二、教学内容 酶催化反应的基本特征 知识要点：酶的催化共性与特性 第二节 简单的酶催化反应动力学 知识要点：M-M 方程、H-B方程的推导、Km、rmax、酶动力学图解法。 第三节 有抑制的酶催化反应动力学 知识要点：竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合性抑制动力学、底物的抑制动力学。 第四节 复杂的酶催化反应动力学 知识要点：可逆反应、多底物反应和产物抑制动力学 酶的失活动力学 知识要点：未反应时的热失活动力学、反应时酶的热失活动力学。 三、本章学时数：6学时 第五章 微生物生长动力学 教学要求 了解对微生物生长过程及生物量的测定方法；了解环境因素对微生物生长的影响。 掌握微生物生长曲线、典型的生长速率方程（Monod方程）。 二、教学内容 微生物生长的基本特征 知识要点：生物量的测定 微生物生长动力学 知识要点：微生物生长曲线、微生物生长动力学（Monod方程、比生长速率、） 三、本章学时数：６学时 第六章 发酵动力学与发酵过程控制 教学要求： 了解多种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间而变化的规律。 　　掌握基质消耗动力学、产物合成动力学，及产物合成与基质消耗和微生物生长之间的动力学关系；掌握重要发酵参数的测定操作及换算方法。 二、教学内容： 第一节 发酵动力学 知识要点：产物合成动力学、代谢产物形成的动力学模型 第二节 发酵过程的代谢变化规律 知识要点：分批发酵（分批发酵过程的典型类型、分批发酵过程的生产率）、连续培养（连续培养系统、连续培养的原理、生长模式、产率、分批培养过程与连续培养过程产率的比较、连续培养过程中的主要问题、多级连续培养）、补料分批发酵、固态发酵以及生物反应过程的生产率计算。 第三节 发酵参数的检测和控制 知识要点：直接参数（温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解度、基质浓度）和间接参数（细胞生长速率、产物合成速率和积累速率、呼吸商）对发酵过程的影响和控制，有关传感器的结构和类型等。 三、本章学时数：２２学时 第七章 生物反应器中的物质传递 一、教学要求： 了解微生物反应过程的传质三个水平；DO对微生物的生长速度和呼吸速度的影响； 与DO的关系；气体吸收双膜学说，测定的用途。 掌握氧的消耗速度和计算；测定体积溶氧系数的常用方法及其原理。 二、教学内容： 第一节 .微生物的氧消耗速度与氧的需求 知识要点：溶解（度）氧；溶解（度）氧表示方法；氧的消耗速度； 第二节 气体吸收 知识要点：气体吸收双膜学说；影响的因子；体积溶氧系数的测定方法（①亚硫酸盐氧化法；②极谱法；③氧的物料衡算法；④溶氧电极法） 三、本章学时数：6学时 第八章 生物反应器 一、教学要求： 了解嫌气发酵设备种类及其特点；重点了解通风搅拌罐的组成。 掌握通风发酵罐工作原理及操作；发酵罐设计的方法；发酵中试放大的理论依据及方法。 二、教学内容： 第一节 .通气搅拌罐 知识要点：机械搅拌发酵罐的组成及发酵罐的部分部件功能；机械搅拌发酵罐KLa及轴功率的计算；自吸式发酵罐、带升式发酵罐、伍式发酵罐、文氏管发酵罐、塔式发酵罐的优缺点及工作原理。 第二节 发酵罐的比拟放大 知识要点：以体积溶氧系数为基准的比拟放大法；以单位培养液体积搅拌功率相等为准则的放大；比拟放大的其他准则；不同基准比拟放大结果的比较。 三、本章学时数：8学时