微生物发酵工程 教学大纲

周学时：2 总学时：36 学分：2

课程名称 理论教学 教学对象 本课程适合生命科学中生物技术和生物科学专业以及相关专业的三年级本科生。 预备知识 已具备微生物学、生物化学、遗传学、物理化学和有机化学等学科的基础知识。 课程在教学计划中的地位和作用 生物技术（工程）主要包括：即遗传工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生物反应器工程等。前二者的目的是获得工程菌或工程细胞株，后三者的目的是为工程菌或工程细胞株创造良好的生长繁殖条件，进行大规模培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益和社会效益。因此，遗传工程是生物工程的主导，而发酵工程是生物工程的基础。所以发酵工程是生物技术专业和“基地班”的必修课，掌握发酵工程的基本理论，熟悉发酵工程的工艺流程以及常用的实验技能具有十分重要的意义。本门课在教学计划中具有非常重要的作用。 课程的 基本要求 通过教学使学生充分理解学习“ 微生物发酵工程 ”的重要意义。真正体会到 “ 微生物发酵工程 ” 是现代生物技术的基础。要求学生掌握发酵的工艺控制、发酵动力学、分批发酵和补料分批技术、连续发酵、高密度发酵、灭菌工程、发酵设备以及现代固态发酵和代谢产物的过量生产；熟悉微生物发酵过程、下游生物物质的分离工程、空气除菌工程以及发酵过程的实验室研究与中试和放大；了解微生物发酵工程广阔的应用领域，如：微生物冶金、微生物采油、微生物法进行污水处理等。 章节目次 名称 （具体内容） 课时 绪论 第1章 一. 课程介绍 二. 概念 三. 发酵工程内容和发展史 四. 微生物发酵工程的特点 五. 发酵工程的任务 六. 发酵工程的发展方向 七. 参考资料（图2 课程名称 理论教学 书、刊物） 发酵工程中常用微生物 第2章 一. 微生物的结构和分类 二. 发酵工业对微生物菌种的要求 三. 发酵工业用微生物的特点 四. 发酵工业中常用的微生物 (一) 细菌 (二) 放线菌 (三) 酵母菌 (四) 霉菌 生产菌种的选育 第3章 一 基本概念 二 菌种的分离与筛选 三 自然选育 四 诱变育种 五 基因重组育种 六 原生质体融合 七 菌种保藏 微生物发酵过程 第4章 一. 微生物发酵的类型 二. 种子扩大培养 三. 发酵培养基 四. 发酵过程中间分析 五. 发酵终点的判断 六.主要技术经济指标 发酵工艺控制 第5章 一. 发酵过程中的代谢变化 二. 营养基质的影响与控制 三. 温度与发酵的影响与控制 四. pH对发酵的影响与控制 五. 溶解氧对发酵的影响与控制 六. 泡沫及其控制 七. 染菌与噬菌体污染 发酵动力学 第6章 一. 概述 二. 微生物的生长速率 三. 底物消耗速率 四. 代谢产物生成速率 五. 发酵过程模拟与优化 分批与补料分批发酵以及高密度发酵 一. 分批发酵 （概况、操作工艺、菌体生长规律、代谢变化 、过程最优第7章 化 、分批发酵生产率） 二. 补料分批发酵（技术的含义、补料分批发酵与分批发酵，连续发酵的区别、特点和类型、适用范围、流加物料的方式、技术评价） 三 高密度发酵（ 定义、生产影响因素、策略、反应器：重组大肠杆菌高密度发酵、除去抑制物方法、存在的问题） 连续发酵 第8章 一. 连续发酵的概念 二. 连续发酵的分类及其特点 三. 罐式连续发酵 四. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子 1 3 2 4 2 2 2 课程名称 理论教学 灭菌工程 第9章 一. 灭菌原理和方法 二. 培养基灭菌 三. 湿热灭菌原理及影响灭菌因素 四. 影响培养基灭菌的因素 五. 分批灭菌的设备与计算 发酵工业重要和基本的设施——发酵设备 第10章 一. 发酵设备概述 二.生物反应器的设计 三. 生物反应器的类型 四. 厌氧发酵设备 五. 机械搅拌发酵罐 六. 通风搅拌发酵罐 现代固态发酵 一. 现代固体发酵的概念及其应用 二. 现代固态发酵技术及其反应器第11章 （一）混合固态发酵技术 （二）静态密闭式固态发酵技术 （三）动态密闭式固态发酵技术 （四）气相双动态固态纯种发酵技术（五）吸附载体固态发酵技术 生物物质分离与纯化 一. 基本概念 二. 培养液的预处理 三. 培养液的固液分离 四. 细胞的破第12章 碎 五.生物物质的分离纯化方法 六.生物分离工艺介绍 七.一些与产物相关的分离纯化工艺过程 八.基因工程产物的分离纯化工艺设计 空气除菌工程 第13章 一. 空气除菌的方法 (辐射灭菌、加热灭菌、红外灭菌、微波灭菌、静电除菌、介质过滤 二. 过滤除菌的流程与设备（空气净化的工艺要求、过滤除菌的一般流程、空气过滤器与过滤介质） 代谢产物的过量生产 第14章 一. 微生物的代谢 二.提高初级代谢产物产量的方法 三. 提高次级代谢产物产量的方法 四. 提高高产菌种的稳定性和改进发酵产品的品质 发酵过程的实验室研究、中试和放大 第15章 一. 实验室研究 二. 微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响 三. 发酵规模的缩小和放大 2 2 2 2 2 2 2 课程名称 理论教学 教学班同学被分为6-8个学习小组，每组选择两篇发酵工程关联的英语研究案例教学 论文，分工翻译；推举一人参加集体交流；报告人选择本组两篇论文中的一篇，制作ppt进行报告交流；交流时同学就论文中的问题进行提问，学习小组同学参与问题解答。 宋存江主编的“发酵工程原理与技术”将于2013年底由高等教育出版社出版 ISBN：978-7-04-038233-4 教材正式出版前使用南开大学生命科学学院自行印刷的该教材试用版 名 称：发酵工程原理与技术 主 编：宋存江 4 教材 副 主 编：方柏山、刘建忠 参 编：方柏山（厦门大学化学化工学院）、王健（吉林大学生物与农业工程学院）、 王淑芳（南开大学生命科学学院）、王霞（山东大学生命科学学院）、乔代蓉（四川大学生 命科学学院）、刘建忠（中山大学生命科学学院）、宋存江（南开大学生命科学学院）、辛秀明（北京师范大学生命科学学院）、李国强（南开大学生命科学学院）、陈振民（华中农业大学生命科学技术学院）、黄玉屏（武汉大学生命科学学院） 《发酵工程概论》刘如林 南开大学出版社 1995年 《发酵工程原理与技术应用》余龙江.. 北京：化学工业出版社, 2006. 《工业微生物学》岑沛霖, 蔡谨.. 北京：化学工业出版社, 2008. 《发酵工艺原理》，中国医药科技出版社，熊宗贵 白秀峰, 徐亲民 胡立勇 2000.1 《微生物工程工艺原理》，华南理工大学出版社，姚汝华，2000.3 《生物过程工程与设备》化工出版社，陈洪章2004.2 《微生物工程》化学工业出版社， 焦瑞身 2003.7 《现代工业发酵学》化学工业出版社，储炬 李友荣，2002.1 主要 参考书 《微生物工程》陈必链.北京 科学出版社, 2010. 《微生物工程技术原理》程殿林 北京 化学工业出版社, 2007. 《现代生物工艺学》储炬, 李友荣 上海 华东理工大学出版社, 2007. 《生物工程下游技术》刘国诠等 北京 化学工业出版社, 2003. 《生化生产工艺》梅乐和 姚善泾 林东强 黄俊 曹毅.. 北京 科学出版社, 2007. 《生物分离技术》谭天伟. 北京 化学工业出版社, 2007. 《发酵工程研究进展》王玉炯.. 银川 宁夏人民出版社, 2007. 《新编生物工艺学》俞俊唐 唐孝宣 邬行彦 李友荣 金青萍 北京 化学工业出版社 2003 EI-Mansi, E. M. T. Bryce, C. F. A. Demain, A. L. Allman A. R. Fermentation Microbiology and Biotechnology. Second Edition. New York, CRC Taylor & Francis Group, 2007. 本大纲特色在于除了32课时的课堂教学之外，还包括4课时的案例教学，以学生讲授

发酵工程案例为主，通过“反转的课堂”形式开展深入讨论，提高课堂教学效果。

实验教学大纲

周学时：8 总学时：48课时 学分：1.5

课程名称 实验教学 教学对象 本课程适合于生物技术专业和“国家生命科学与技术人才培养基地班”三年级本科生。 预备知识 本课程前期课程为微生物学、微生物发酵工程、生物化学和细胞生物学等基础理论知识。 课程在教学计划 中的地位和作用 生物技术是一门迅速发展中的交叉学科，它是以生物学，特别是微生物学、遗传学、生物化学和细胞学的理论和技术为基础，结合化学工程等现代工程技术，运用分子生物学的最新成就，操纵基因，定向地改造物种，再通过合适的生物反应器，对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量的有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。发酵工程是生物工程的基础。所以发酵工程是生物技术专业和“基地班”的必修课，掌握发酵工程的基本理论，熟悉发酵工程工艺流程及其常用实验技术具有十分重要的意义。发酵工程实验课程使学生对于理论课所学内容，通过实际操予以深化和提升，通过微生物发酵工程实验课的学习，使学生真正体会到“发酵工程”在生物技术中的地位和作用。 课程的基本要求 使同学们掌握发酵的基本原理和操作规程，熟悉微生物发酵工艺的过程及其控制方法，熟悉发酵设备的使用方法和发酵产物的后处理过程。通过具体实验操作达到掌握发酵基本原理、熟悉基本规律、发酵控制的基本方法和产物分离常用方法的目的，熟悉相关产物的分析方法；要求学生进行实验前认真预习，实验课上规定完成实验，实验课后认真总结实验结果，撰写实验报告。 课程名称 实验教学 课程内容 及学时分配 本课程涉及两个综合性大实验，分别包括若干个单元实验。根据选课人数和“实验教学中心”的安排，每学年开出一个综合性大实验。按每周8课时连续进行。最后一次课中，利用2课时进行实验总结和成绩评定。共计48学时，1.5学分。 综合实验一 合计：48课时 聚羟基脂肪酸酯实验1. PHA合成细菌的分离和纯化 (PHA)的发酵、固液掌握利用尼尔红染色技术进行PHA合成菌分离的原理；掌握PHA合成细菌的分离与分离、产物分离及其纯化操作技术。 产品纯化 实验2.利用微生物分类鉴定系统进行微生物的分类鉴定 掌握BIOLOG系统进行微生物分类鉴定的一般原理和方法；掌握利用该仪器对G+ 和G- 细菌进行分类鉴定的方法步骤；对实验1分离得到的PHA合成菌进行分类鉴定。 实验3. 微生物发酵罐的使用 掌握发酵罐的种类；熟悉发酵罐的原理，包括：空气压缩机和蒸汽发生器；能够完成机械搅拌发酵罐的操作（空消、实消、发酵控制） 实验4. 微生物发酵法制备生物降解材料聚羟基脂肪酸酯(PHA) 掌握微生物合成PHA的机制，学会发酵罐的控制技术以及发酵过程中的诸影响因素变化的应对方法，包括：酸碱控制技术、溶氧控制技术等。 实验5. 发酵液中溶解氧测定、发酵液中基质葡萄糖含量的测定 掌握利用溶解氧分析仪检测发酵液中溶解氧的变化；掌握使用葡萄糖试剂盒检测基质葡萄糖含量的原理和方法。 实验6. 实验型冷冻干燥机的原理及其使用 掌握干燥的种类；掌握冷冻干燥设备的基本原理；学会使用冷冻干燥设备对样品进行干燥。 实验 7. PHA的索氏抽提法及其操作 掌握胞内物抽提技术，掌握索式抽提的基本原理；学会使用索式抽提器，对样品中的PHA进行抽提。 实验8. 抽提液浓缩及其样品纯化 课程名称 实验教学 掌握抽提液浓缩技术；掌握旋转蒸发仪的原理和使用方法，能够完成旋转蒸发仪的操作对浓缩液进行浓缩。了解溶度参数原理，掌握有机溶剂沉淀法对PHA进行浓缩和纯化。 实验9. PHA 样品沉淀、精制、减压干燥、核磁共振检测样品管的准备 掌握高分子聚合物的分离纯化方法-----有机溶剂沉淀法，掌握样品真空干燥的方法，了解核磁共振原理，掌握核磁共振检测样品管的准备方法。 实验10. 实验型超滤装置的原理及其使用 掌握超滤装置的适用范围，掌握超滤的原理，学会使用超滤装置进行发酵液的超滤，实现固液分离。 实验11. 亚硫酸盐法测定容积氧传递系数 实验掌握化学法-—硫酸盐氧化法测定反应器体积溶氧系数KLa的原理及测定方法。 实验总结及其成绩评定 总结发酵种类和技术、发酵控制技术、总结灭菌工程、空气净化工程及分离工程的技术种类和要点；根据学生的实验结果和现场抽签口试结果，评定学生的实验成绩。 或 综合实验二 燃料油的微 生物脱硫 实验1. 微生物脱硫技术简介 介绍燃料油脱硫的重要意义和国内外燃料油脱硫的研究进展，脱硫的技术分类，生物脱硫的技术优点；脱硫菌株的分离和纯化和遗传改造；生物脱硫的君主筛选，脱硫条件的选择与优化以及试验流程。杂菌污染是发酵过程中的常见问题。本单元实验的目的是让学生运用已经掌握的基础微生物学实验技能及脱硫菌株的形态特征，从受杂菌污染的发酵液中分离出目的菌株——脱硫菌株。配制培养基、划线分离等操作。 实验2. DBT脱硫产物定量分析 脱硫菌株能够降解底物二苯并噻吩生成酚类化合物，该产物与Gibbs试剂反应后生成蓝色化合物。本单元实验的目的是让学生将自己分离的“目的菌株”在以二苯并噻吩为唯一硫源的合成培养基中扩大培养，并通过Gibbs反应鉴定“目的菌株”的真伪，经鉴定正确的目的菌株培养液并种后作为分批发酵的种子液。通过Gibbs反应测定发酵液中产物的生产量。本单元实验的目的是让学生掌握微生物脱硫产物的定量分 课程名称 实验教学 析方法。 实验3. 发酵罐结构及使用方法简介 发酵罐的原理及使用方法是本实验的核心内容之一。本单元实验的目的是让学生了解发酵罐的种类，熟悉发酵罐的原理，掌握发酵罐的使用方法，能够完成机械搅拌发酵罐的操作（空消、实消、发酵控制）。让学生利用分批发酵法脱除二苯并噻吩中的有机硫，跟踪监测发酵过程中各参数（pH值、溶氧、菌体量等）的变化，并定时取样以备底物和产物浓度的检测，这是本实验的另一个核心内容。发酵结束后还要收集菌体以备后续实验使用。 实验4. 发酵液中DBT含量的测定 底物消耗速率是评价发酵效果的另一关键指标。鉴于二苯并噻吩的化学惰性及带有苯环的特点，本单元实验采用HPLC方法检测发酵液中二苯并噻吩的浓度。让学生掌握HPLC的原理及使用方法，并绘制出用于底物定量分析的标准曲线，同时拟合计算式。 实验5. DBT脱硫产物在油/水两相中的分配系数测定 使学生了解常用的固液分离技术，并掌握超滤和离心两项固液分离技术的原理及方法。生物脱硫产物一般是双亲分子，为了准确评价模拟燃油的脱硫效果，必须知道脱硫产物在油水两相中的分配系数。使学生了解双亲分子在油水两相中的分配特征，并测定脱硫产物在油水两相中的分配系数。了解常用的固液分离技术，掌握超滤和离心分离技术的原理及方法；了解两亲分子的溶解特性；掌握测定两亲分子在油/水两相分配系数的测定方法。 实验 6. 休止细胞法脱除模拟燃油中的有机硫 休止细胞是工业生产中常用的工艺之一。本单元实验的目的是让学生利用分批发酵收集的菌备休止细胞并对模拟燃油进行生物脱硫。同时掌握休止细胞生产工艺的原理及休止细胞的制备方法。了解休止细胞制备的原理和方法；了解模拟燃油的制备方法； 掌握用休止细胞脱除模拟燃油中有机硫的方法。 实验7. 脱硫后模拟燃油性质分析 生物脱硫是以不影响燃油的热值为目的的。因此，模拟燃油在经过生物脱硫后其性质及质量不应发生改变。本单元实验的目的是让学生了解气相色谱分析的原理和方法， 课程名称 实验教学 并利用气相色谱对脱硫前后模拟燃油的品质进行对比分析。实验讨论及其成绩评定。 掌握气相色谱工作原理与方法； 利用气相色谱对脱硫前后模拟燃油的品质进行对比分析。总结发酵种类和技术、发酵控制技术、总结灭菌工程、空气净化工程及分离工程的技术种类和要点；根据学生的实验结果和现场抽签口试结果，评定学生的实验成绩。 教材 名称：《微生物发酵工程综合实验原理与方法》 主编：宋存江 出版日期：2012年1月 ISBN：978-7-310-03835-0 出版社：南开大学出版社 获奖情况：无 使用情况：2012年首次使用 主要参考书 《微生物学实验》杨文博主编，化工出版社2004年9月出版 《生物过程工程与设备》陈洪章 化工出版社2004年2月出版 《山东大学生物工程大实验》许平等 2005年1月(内部印刷) 《浙江大学发酵工程实验》吴根福等 2004年1月(内部印刷) 《南开大学生科院微生物催化研究室研究报告》 内部资料 每学年开出一个综合大实验。

本大纲的特色（在教学内容、方法、手段方面改革的情况）： 本实验课改变了传统的由若干关联性小的实验构成一门实验课的格局。通过两个综合实验将微生物的发酵、发酵条件的控制、中间产物分析、固液分离、产物纯化精制等若干小实验内容有机的组合。培养学生在实验中发现问题、解决问题的综合实验能力。

实践教学大纲

周学时：4.5课时 总学时：18课时 学分：1

课程名称 实践教学 实践教学 Lesson of Practical Teaching 授课对象 1. 本课程适合的专业：本课程适合于生物技术专业和“国家生命科学与技术 人才培养基地班”三年级本科生。 2. 要求的预备知识：本课程前期课程为微生物学、细胞生物学、微生物发酵工程、发酵工程的下游技术、生物化学和化工原理等。 课程的目的和要求 使学生印证课堂上所学过的理论；理解生物技术基本理论、基本规律和基本特征；体会基本技能的重要性；生物技术的应用领域以及生物技术生产实际和实验室研究的区别；熟悉一项利用生物技术进行的产品生产如：医药、酶制剂、保健品等；掌握生物技术在环保领域的应用，熟悉污水处理中的生物技术问题；掌握生物技术企业生产设备的特征； 实践教学能够弥补课堂教学的不足。同时，由于聘请企业专业技术人员进行现场讲解包括技术、管理、市场等方面，对于学生拓展知识领域，能够有效的指导和把握大学最后一年的学习具有积极作用。 教学内容 （一）现代生物技术公司或企业的实践教学 内容1. 讲解 公司或企业的一般情况，公司或企业利用生物技术进行生产的状况； 内容2. 公司或企业的产品特点，生产过程、产品分离过程； 内容3. 实地参观，聘请相关人员进行讲授。 （二）医药企业或技术工程公司的实内容1. 讲解公司或企业的一般情况，公司医药产品生产状况； 内容2. 医药企业生物技术的特点以及实施GMP标准的介绍； 课程名称 实践教学 践教学 内容3. 实地参观，聘请相关人员进行讲授； （三）现代生物技术研究院或所实践教学 内容1. 讲解研究院或所的一般情况，利用生物技术开展研究与中试的状况； 内容2. 研究院所的研究特点，采用发酵技术进行研究与中试的特征； 内容3. 实地参观，聘请相关人员进行讲授。 （四）生物技术设备、大型生物工程设备的实践教学 内容1. 实地介绍大型生物过程技术设备； 内容2. 实地介绍工业化分离提取过程技术设备； 内容3. 实地参观，聘请相关人员进行讲授； 教材 实践教学指导书：王淑芳编 南开大学生命科学学院印刷 参考指导书 1. 《微生物学实验》杨文博主编，化工出版社2004年9月出版 2. 《生物过程工程与设备》陈洪章 化工出版社2004年2月出版 3. 《微生物发酵工程综合实验原理与方法》宋存江主编 南开大学出版社2012年1月出版 4. 《发酵工程原理与技术》宋存江主编 南开大学内部印刷 获奖情况：无 使用情况：2012年首次使用 相关企业 石家庄华北制药集团有限公司（国家微生物药物工程研究中心） 天津生物芯片有限公司 天津金耀集团（天津药业股份有限公司） 华立达制药有限公司 诺维信生物技术公司 天津工业微生物研究所（天津实发中科百奥工业生物技术有限公司） 天津天士力制药公司 河北制药厂 天津新星兽药厂 课程名称 实践教学 天津经济技术开发区污水处理中心 天津纪庄子污水处理厂 天津大港污水处理厂 天津东丽区污水处理厂 天津市氨基酸公司制造车间 天津中美史克制药有限公司 天津怀仁制药有限公司 天津大冢制药有限公司 等企业、研究院所。 天津国际药物联合研究院 中科院工业生物技术研究所 天津红日药业股份有限公司 特色 实践教学课程每学年第二学期开设。由于不同的企业都有本企业的生产计划和安排,不同的年度生产计划和安排也不同。因此，本教学大纲中的实践教学企业难以固定，每次开设前，根据我校情况如参加学生数，再和企业联系实施。每次以３－４家企业为宜。要邀请企业技术人员进行讲授。南开大学将为讲授人员制服讲课费。 备注 每学年联系4家企业或科研院所实施实践教学。