發(fā)酵工程 學習指南

PAGEPAGE8發(fā)酵工程學習指南第一章緒論（一）學時安排：2學時（二）教學目的與要求通過講解使學生掌握發(fā)酵及發(fā)酵工程概念，熟悉發(fā)酵工程發(fā)展史及其在國民經(jīng)濟中地位和巨大作用，掌握發(fā)酵工業(yè)的特點及其應用范圍、工業(yè)發(fā)酵的類型與典型流程，深刻認識發(fā)酵工程應用前景。同時，總體了解本課程的學習內(nèi)容、方法及具體要求。通過典型案例激發(fā)學生學習發(fā)酵工程的興趣和熱情。（三）重點及難點發(fā)酵及現(xiàn)代發(fā)酵工程概念；現(xiàn)代發(fā)酵工程在國民經(jīng)濟發(fā)展中重要性認識；工業(yè)發(fā)酵類型和典型流程；發(fā)酵工業(yè)的應用范圍及發(fā)展前景（四）學習要點1.發(fā)酵工程與發(fā)酵工業(yè)掌握發(fā)酵及發(fā)酵工程概念；熟悉揭示發(fā)酵現(xiàn)象本質(zhì)科學認識的三個關(guān)鍵階段；掌握發(fā)酵工業(yè)的主要應用領(lǐng)域。2.發(fā)酵工業(yè)發(fā)展簡史了解發(fā)酵工業(yè)發(fā)展的各個階段主要特點，熟悉發(fā)酵理論和技術(shù)進步及其巨大影響。3.發(fā)酵工業(yè)在生物產(chǎn)業(yè)中地位深刻認識發(fā)酵工業(yè)在生物產(chǎn)業(yè)中的地位和作用，掌握發(fā)酵工程上、中、下游理論和技術(shù)內(nèi)涵及其相互聯(lián)系。4.發(fā)酵工業(yè)特點掌握發(fā)酵工業(yè)的具體特點。5.發(fā)酵工業(yè)應用范疇掌握按產(chǎn)品類別和性質(zhì)劃分的發(fā)酵工業(yè)的應用范圍，即微生物菌體、酶制劑、代謝產(chǎn)物、生物轉(zhuǎn)化，以及微生物特殊機能的利用等。6.發(fā)酵工業(yè)過程的主要類型了解發(fā)酵工業(yè)過程的主要類型，即固體/液體發(fā)酵、純種/混合菌發(fā)酵、厭氧/好氧/兼性發(fā)酵等不同類型。7.發(fā)酵工業(yè)基本過程和典型過程掌握發(fā)酵工業(yè)的基本工藝過程和典型工藝過程。8.發(fā)酵工業(yè)前沿進展了解發(fā)酵工業(yè)的前沿進展：（1）從基因組到生物產(chǎn)品的研究開發(fā)理論和技術(shù)體系；（2）發(fā)酵過程的優(yōu)化與強化；（3）生物煉制技術(shù)及其應用；（4）非糧/非糖發(fā)酵新技術(shù)；（5）混合菌群發(fā)酵新技術(shù)及其應用；（6）發(fā)酵過程的集成優(yōu)化等。9.如何學好發(fā)酵工程課程？在學習過程中，要求學生緊緊抓住一條主線（發(fā)酵工藝的典型過程）、兩個重點（過程優(yōu)化與放大）、三個層次（反應器、細胞、分子等層次）、四個目標（高產(chǎn)量、高轉(zhuǎn)化率、高效率、低成本）。第二章發(fā)酵工業(yè)菌種（一）學時安排：4學時（二）教學目的與要求（1）掌握微生物分離篩選的基本概念、原理與技術(shù)應用；（2）掌握菌種選育的基本原理、技術(shù)方法及其應用。（三）重點及難點菌種高效篩選方法，以及優(yōu)良菌種選育的原理、技術(shù)方法及其應用。（四）學習要點1.發(fā)酵工業(yè)菌種的重要性了解菌種在發(fā)酵工業(yè)中的重要性，以及發(fā)酵工業(yè)菌種的重要特性。2.發(fā)酵工業(yè)菌種的來源掌握發(fā)酵工業(yè)菌種的主要特點及具體要求；了解發(fā)酵工業(yè)菌種的主要來源途徑。3.工業(yè)菌種的篩選與鑒定了解菌種篩選思路及菌種分離篩選工作的實際應用；掌握菌種分離篩選的一般步驟，包括微生物樣品采集的一般原則、常用發(fā)酵工業(yè)微生物的篩選生境、樣品預處理目的和方法；掌握菌種分離篩選的具體方法，包括選擇性分離和隨機分離篩選方法；掌握幾類代表性物質(zhì)產(chǎn)生菌的篩選方法，如抗生素產(chǎn)生菌、生物活性化合物產(chǎn)生菌、生長因子產(chǎn)生菌、多糖產(chǎn)生菌等；熟悉一些菌種的高效篩選方法，如基于已知分子標記的目標產(chǎn)物產(chǎn)生菌的高效篩選等；了解菌種鑒定的經(jīng)典方法和現(xiàn)代方法；熟悉菌種鑒定的主要證據(jù)及其獲取途徑。4.工業(yè)菌種選育了解發(fā)酵工業(yè)菌種選育的目的及主要原理和方法；掌握誘變育種的原理和技術(shù)方法；掌握代謝調(diào)控育種的原理和技術(shù)方法，包括組成型突變株、營養(yǎng)缺陷型突變株和抗性突變株等的選育原理和技術(shù)方法；了解代謝工程概念及代謝工程育種思路；了解全局生理工程育種原理和技術(shù)方法；了解DNA改組及基因組重排育種的原理和技術(shù)方法。5.工業(yè)菌種保藏了解菌種退化原因；掌握菌種保藏原理與方法；了解國內(nèi)外主要菌種保藏機構(gòu)。第三章發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設計（一）學時安排：1學時（二）教學目的與要求（1）掌握常用培養(yǎng)基的基本要求；

（2）掌握培養(yǎng)基的基本成分及來源；

（3）掌握培養(yǎng)基的類型與區(qū)別；（4）弄清影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素；

（5）掌握培養(yǎng)基設計原理與基本優(yōu)化方法。（三）重點及難點培養(yǎng)基的類型與區(qū)別；影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素；培養(yǎng)基的設計原理與基本優(yōu)化方法。（四）學習要點1.常用培養(yǎng)基的基本要求掌握常用培養(yǎng)基的基本要求。2.培養(yǎng)基的成分及來源掌握培養(yǎng)基成分中的碳源、氮源、無機鹽及微量元素以及代謝調(diào)節(jié)劑的主要作用，以及上述培養(yǎng)基成分的主要來源和種類；弄清在應用天然碳源和氮源時應注意的問題。3.培養(yǎng)基的類型與區(qū)別弄清培養(yǎng)基的主要類型；弄清斜面培養(yǎng)基或孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基的特點及區(qū)別。4.影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素掌握影響培養(yǎng)基質(zhì)量的主要因素。5.培養(yǎng)基的設計了解發(fā)酵培養(yǎng)基的設計原理和一般原則；熟悉培養(yǎng)基設計和優(yōu)化的常用方法。第四章發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)（一）學時安排：4學時（二）教學目的與要求（1）掌握發(fā)酵工業(yè)無菌技術(shù)的基本概念（2）了解發(fā)酵工業(yè)污染的原因及防治策略

（3）了解發(fā)酵工業(yè)的基本無菌技術(shù)

（4）掌握培養(yǎng)基及設備滅菌基本原理以及滅菌時間的估算

（5）掌握空氣除菌基本原理、流程及無菌空氣預處理設計（三）重點及難點培養(yǎng)基及設備滅菌基本原理以及滅菌時間的估算；空氣除菌基本原理、流程及無菌空氣預處理設計。（四）學習要點1.概念掌握滅菌、消毒、除菌和防腐的基本概念，弄清消毒與滅菌的區(qū)別及其在發(fā)酵工業(yè)中的應用。2.發(fā)酵工業(yè)污染的防治策略了解染菌的不良后果，以及染菌對不同菌種發(fā)酵的影響、感染不同雜菌對發(fā)酵的影響、不同發(fā)酵時期染菌對發(fā)酵的影響；掌握染菌的檢查與判斷，弄清污染的主要原因，了解污染的預防策略。3.發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)了解幾種常用無菌技術(shù)的特點及其應用。4.培養(yǎng)基及設備滅菌掌握濕熱滅菌原理及其相關(guān)的概念如熱阻、對數(shù)殘留定律、非對數(shù)殘留定律；掌握影響培養(yǎng)基滅菌的主要因素；掌握分批滅菌與連續(xù)滅菌的基本概念，了解分批滅菌與連續(xù)滅菌的基本工藝過程，掌握分批滅菌與連續(xù)滅菌時間的估算；比較分批滅菌與連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點。5.空氣除菌了解空氣除菌的必要性及幾種常用空氣除菌方法的基本特點；掌握對空氣過濾除菌流程的要求；掌握幾種典型的空氣過濾除菌流程及其特點；掌握空氣預處理的基本環(huán)節(jié)和作用及相關(guān)概念，如空氣的絕對濕度、相對濕度、濕含量、露點等；掌握空氣預處理流程的設計。第五章發(fā)酵工業(yè)的種子制備（一）學時安排：1學時（二）教學目的與要求：（1）掌握與種子擴大培養(yǎng)有關(guān)的基本概念（2）掌握種子制備的工藝過程和基本制備方式及其特點（3）掌握種子制備過程的注意事項（4）掌握影響種子質(zhì)量的因素，了解種子質(zhì)量的控制措施（5）掌握不同類型微生物種子擴大培養(yǎng)的基本特點（三）重點及難點種子制備過程的注意事項；影響種子質(zhì)量的因素；不同類型微生物種子擴大培養(yǎng)的基本特點。（四）學習要點1.種子制備原理與技術(shù)掌握相關(guān)基本概念，如種子擴大培養(yǎng)、發(fā)酵級數(shù)、種齡、接種量等；掌握優(yōu)良種子應具備的條件；了解種子質(zhì)量的判斷方法；掌握種子制備工藝過程，包括實驗室種子制備和生產(chǎn)車間種子制備等過程。2.影響種子質(zhì)量的因素掌握影響種子質(zhì)量的主要因素，包括原材料質(zhì)量、培養(yǎng)溫度、濕度、通氣與攪拌、斜面冷藏時間、培養(yǎng)基、pH等等。3.種子質(zhì)量的控制措施掌握控制種子質(zhì)量的主要措施。4.種子制備的放大原理與技術(shù)了解細菌、酵母、絲狀真菌、放線菌發(fā)酵時種子擴大培養(yǎng)的特點及其注意事項。第六章發(fā)酵動力學（一）學時安排：6學時（二）教學目的與要求（1）掌握發(fā)酵動力學研究的主要內(nèi)容及相關(guān)概念（2）掌握細胞生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物形成的物料衡算方法（3）掌握Monod方程的生物學意義及其參數(shù)的求解

（4）掌握分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵及補料分批發(fā)酵的動力學特征（三）重點及難點細胞生長、基質(zhì)消耗、產(chǎn)物形成的物料衡算；Monod方程的靈活運用及發(fā)酵動力學參數(shù)的求解；連續(xù)發(fā)酵動力學方程的生物學意義及其應用。（四）學習要點了解發(fā)酵研究的關(guān)鍵問題、優(yōu)化發(fā)酵高產(chǎn)目標的方法、發(fā)酵動力學研究方法；掌握發(fā)酵動力學的基本概念、研究目的、主要研究內(nèi)容、研究發(fā)酵動力學的基本過程及研究方法。1.分批發(fā)酵動力學掌握相關(guān)基本概念，如分批發(fā)酵、比生長速率、底物親和常數(shù)、得率系數(shù)等；掌握分批發(fā)酵細胞生長動力學、基質(zhì)消耗動力學和產(chǎn)物形成動力學的物料衡算；掌握Monod方程，熟悉發(fā)酵動力學參數(shù)的求解；掌握微生物生長與產(chǎn)物合成的動力學關(guān)系；掌握分批發(fā)酵特點。2.連續(xù)發(fā)酵動力學掌握相關(guān)基本概念，如連續(xù)發(fā)酵、稀釋率、臨界稀釋率等；掌握單級連續(xù)發(fā)酵細胞生長動力學、基質(zhì)消耗動力學和產(chǎn)物形成動力學的物料衡算；掌握單級連續(xù)發(fā)酵的重要特征；掌握多級連續(xù)發(fā)酵細胞生長動力學、基質(zhì)消耗動力學和產(chǎn)物形成動力學的物料衡算；掌握細胞回流的單級恒化器連續(xù)發(fā)酵的細胞生長動力學、基質(zhì)消耗動力學和產(chǎn)物形成動力學的物料衡算；了解連續(xù)發(fā)酵動力學方程的生物學意義及其應用；掌握連續(xù)發(fā)酵的重要特點。3.補料分批發(fā)酵動力學掌握相關(guān)基本概念，如補料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵等；了解補料分批發(fā)酵的類型；了解補料分批發(fā)酵的細胞生長動力學、基質(zhì)消耗動力學和產(chǎn)物形成動力學；掌握補料分批發(fā)酵的主要特點。第七章發(fā)酵工業(yè)中氧的供需（一）學時安排：5學時

（二）教學目的與要求（1）了解微生物對氧的需求并掌握其中的基本概念（2）掌握發(fā)酵過程中氧的傳遞方程及其參數(shù)的測定

（3）深入理解KLa的意義，掌握影響氧傳遞的因素

（4）了解溶解氧相關(guān)參數(shù)的測定，掌握KLa的測定

（三）重點及難點發(fā)酵過程中氧的傳遞方程及影響供氧和需氧的因素；KLa的意義及其測定。（四）學習要點1.微生物對溶解氧的需求了解溶解氧在微生物發(fā)酵中的作用；掌握微生物需氧量的表示方式即呼吸強度（比耗氧速率）和攝氧率（耗氧速率）；掌握QO2與溶解氧濃度CL的關(guān)系；掌握發(fā)酵過程中呼吸強度和攝氧率變化的一般規(guī)律；掌握影響微生物需氧的主要因素；了解溶解氧控制的意義。2.發(fā)酵過程中氧的傳遞了解供氧的實現(xiàn)形式；弄清氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力；掌握氣體溶解過程的雙膜理論、亨利定律及其應用；掌握氧傳遞方程及其應用；掌握發(fā)酵過程中需氧與供氧的動態(tài)關(guān)系。3.影響氧傳遞的因素掌握影響推動力（C*-CL）的因素，包括溫度、溶質(zhì)、溶劑和氧分壓；掌握影響KLa的三大類因素，即設備參數(shù)、操作條件和發(fā)酵液性質(zhì)；掌握氧傳遞效率或傳氧效率的基本概念及其意義。4.攝氧率、溶解氧濃度、KLa的測定掌握溶解氧CL的測定原理與方法、攝氧率的測定原理與方法，以及KLa的測定原理與方法。第八章發(fā)酵罐設計與放大（一）學時安排：2學時

（二）教學目的與要求（1）了解發(fā)酵罐的類型，掌握通用式發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)

（2）掌握發(fā)酵罐設計的基本原則和要求（3）掌握發(fā)酵罐放大設計的基本方法（4）了解重組菌生物反應器的特別要求

（三）重點及難點通用式發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)；發(fā)酵罐放大設計的基本原則、要求和方法。（四）學習要點1.發(fā)酵罐設計與放大的重要性了解發(fā)酵罐設計的主要目標；了解發(fā)酵罐設計/選型與放大設計的重要性；了解發(fā)酵罐放大設計思路。2.發(fā)酵罐主要類型掌握發(fā)酵罐的主要類型，包括通用式攪拌罐、氣升式發(fā)酵罐、管道式反應器等等。3.通用式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)了解通用式發(fā)酵罐的重要幾何參數(shù)尺寸及其相互關(guān)系；了解發(fā)酵罐上安裝的管道和設備接口、攪拌裝置、擋板、消泡器、空氣分布器、換熱裝置及其作用。4.發(fā)酵罐發(fā)展方向了解發(fā)酵罐的主要發(fā)展方向。5.發(fā)酵罐攪拌功率的計算掌握攪拌功率P的定義，了解其關(guān)聯(lián)式；掌握攪拌功率P的影響因素，了解其準數(shù)關(guān)聯(lián)式；了解非標尺寸發(fā)酵罐攪拌功率P*的校正；掌握通氣攪拌功率PG的計算。6.發(fā)酵罐的設計與放大掌握發(fā)酵罐設計的基本原則和基本要求；了解發(fā)酵罐設計的主要內(nèi)容；弄清發(fā)酵罐放大設計的目的和任務；掌握發(fā)酵罐放大設計的準則；了解發(fā)酵罐放大設計的方法。第九章發(fā)酵過程控制（一）學時安排：6學時（二）教學目的與要求：（1）掌握代謝調(diào)控在發(fā)酵過程控制中的應用（2）了解發(fā)酵過程中需檢測的參數(shù)類型，了解基本的參數(shù)檢測方法（3）掌握溫度、pH、溶解氧、CO2和呼吸商、基質(zhì)濃度等對發(fā)酵的影響及其控制（4）掌握發(fā)酵過程補料控制的意義、原則和方法（5）掌握高密度發(fā)酵及過程控制（6）掌握泡沫對發(fā)酵的影響及其控制（7）了解計算機自動控制技術(shù)在發(fā)酵過程控制中的應用（三）重點及難點：代謝調(diào)控在發(fā)酵過程控制中的應用；溫度、pH、溶解氧、CO2和呼吸商、基質(zhì)濃度等對發(fā)酵的影響及其控制；發(fā)酵過程的補料控制。（四）學習指南1.概述了解發(fā)酵過程控制的重要性；掌握決定發(fā)酵單位(水平)的主要因素；掌握發(fā)酵參數(shù)的類型及其測量方式。2.代謝調(diào)控在發(fā)酵過程控制中的應用掌握初級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)方法，包括避開固有的反饋調(diào)節(jié)方法及細胞通透性調(diào)節(jié)方法；掌握次級代謝特點及與初級代謝的關(guān)系；掌握次級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)方法，包括誘導作用、避開固有的負反饋、初生代謝物的調(diào)節(jié)作用和能荷調(diào)節(jié)等。3.溫度對發(fā)酵的影響及其控制掌握相關(guān)基本概念，如發(fā)酵熱、生物熱、糖比消耗速率、最適溫度等；掌握溫度對微生物生長、基質(zhì)消耗及產(chǎn)物合成的影響；掌握最適溫度的選擇與控制。4.pH對發(fā)酵的影響及其控制掌握發(fā)酵液中pH變化的基本原理，包括引起發(fā)酵液中pH下降和上升的因素；掌握發(fā)酵過程中pH的變化規(guī)律；掌握pH對微生物生長和產(chǎn)物形成的影響；掌握發(fā)酵過程中pH調(diào)節(jié)與控制方法。5.溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制掌握影響溶解氧的因素；掌握培養(yǎng)過程中溶解氧變化規(guī)律；掌握溶解氧對微生物生長和產(chǎn)物形成的影響；掌握溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要作用，包括發(fā)酵異常指標、補料控制指標、代謝方向控制指標，以及設備性能、工藝合理性指標；發(fā)酵液中溶解氧的控制原理、原則和方法；了解溶氧自動控制系統(tǒng)。6.CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制掌握相關(guān)基本概念，如CO2釋放率（CER）、呼吸商（RQ）等；掌握影響尾氣中CO2濃度的主要因素；掌握發(fā)酵過程中CER的變化規(guī)律；掌握CO2對菌體生長及產(chǎn)物形成的影響；掌握CO2釋放與發(fā)酵過程參數(shù)pH及操作參數(shù)補糖速率的關(guān)系；掌握尾氣CO2與O2的相關(guān)性。7.基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及補料控制掌握基質(zhì)濃度對微生物生長和產(chǎn)物形成的影響；掌握補料的目的和原則、補料方式及反饋控制參數(shù)的確定。8.高密度發(fā)酵及過程控制了解高密度發(fā)酵的目的；了解高密度發(fā)酵存在的問題；掌握高密度發(fā)酵策略及技術(shù)。9.泡沫對發(fā)酵的影響及其控制了解泡沫的產(chǎn)生及其影響；掌握發(fā)酵過程中泡沫消長的