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1《发酵工程与设备》教案首页教授时间2013-2014-01学期教案编写时间2013年8月课程名称发酵工程与设备课程代码总学时：80学时讲课：48学时实验：32学时实习：周学分3.5课程性质必修课（√）选修课（）理论课（√）实验课（√）任课教师黄芳一职称副教授授课对象11级生物工程、生物技术专业教材和主要参考资料教材：陶兴无.发酵工艺与设备.北京：化学工业出版社，2011.主要参考资料：[1]余龙江．发酵工程原理与技术．北京：化学工业出版社，2006．[2]陈洪章，徐建．现代固态发酵原理及应用．北京：化学工业出版社，2004．[3]梅乐和，姚善泾，林东强．生化生产工艺学．北京：科学出版社，1999．[4]岑沛霖，蔡谨．工业微生物学．北京：化学工业出版社，2000．[5]李阜棣，俞子牛，何绍江．农业微生物实验技术．北京：中国农业出版社，1996．[6]W.F.Harrigan．食品微生物实验手册．北京：中国轻工业出版社，2004．[7]何国庆．食品发酵与酿造工艺学．北京：中国农业出版社，2002．[8]黄方一，程爱芳．发酵工程（第三版）．武汉：华中师范大学出版社，2013．[9]贺小贤．生物工艺原理（第二版）．北京：化学工业出版社，2008．[10]邱立友．发酵工程设备．北京：科学出版社，2007．[11]姚汝华．微生物工程工艺原理．广州：华南理工大学出版社，1996．[12]俞俊棠．新编生物工艺学．北京：化学工业出版社，2003．[13]叶勤．发酵过程原理．北京：化学工业出版社，2005．[14]梁世中．生物工程设备．北京：中国轻工业出版社，2002．[15]高孔荣．发酵设备．北京：中国轻工业出版社，1991．[16]葛向阳，田焕章，梁运祥．酿造学．北京：高等教育出版社，2005．[17]顾国贤．酿造酒工艺学．北京：中国轻工业出版社，1996．[18]康明官，唐是雯．啤酒酿造．北京：中国轻工业出版社，1993．[19]吴松刚．微生物工程．北京：科学出版社，2004．[20]董胜利，徐开生．酿造调味品生产技术．北京：化学工业出版社，2003．[21]张水华，刘耘．调味品生产工艺学．广州：华南理工大学出版社，2000．[22]张伟国，钱和．氨基酸生产技术及应用．北京：中国轻工业出版社，1997．[23]张克旭．氨基酸发酵工艺学．北京：中国轻工业出版社，1992．[24]吴根福．发酵工程实验指导．北京：高等教育出版社，2006．[25]汪穗福．微生物检验验证技术．北京：中国医药科技出版社，2006．[26]刘振宇．发酵工程技术与实践．上海：华东理工大学出版社，2006．[27]邱立友．发酵工程设备实验．北京：中国农业出版社，2008．[28]陈长华．发酵工程实验．北京：高等教育出版社，2009．2参考国家级精品课程网站：[1]（武汉大学，微生物学）[2]（华中农业大学，微生物学）[3]（南开大学，微生物学）[4]（浙江大学，微生物学）[5]=14538（上海大学，生物工艺学）[6]（华中科技大学，发酵工程）[7]（江南大学，发酵工程原理与技术）[8]=0&courseId=26717&topMenuId=70716&menuType=4&action=view&type=&name=（华东理工大学，发酵工程）[9]（南开大学，微生物发酵工程，宋存江）教学目的和教学要求学生在学过生物化学、微生物学、工程制图、物理化学和化工原理等课程的基础上，通过本课程的学习，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，理解发酵过程的规律及不同发酵操作方式的特点和应用，理解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，提高生产效率，创造更大的经济效益和社会效益。教学重点和难点重点：以生物化学和微生物学及工程学为基础，熟悉发酵工业一般工艺过程及原理，理解发酵过程中微生物及生物化学变化过程，掌握发酵产品工艺控制的关键点。难点：发酵过程中菌种代谢调控原理及技术应用；发酵过程中微生物及生物化学变化过程。教学进程课次教授章节学时备注1第一章绪论第一节发酵技术的起源（1学时）第二节发酵工程内容及特点（1学时）22第一章绪论第三节发酵工程的应用领域（1学时）第四节发酵技术的发展趋势（1学时）23第二章菌种的选育及培养基设计第一节微生物的代谢及调控（1学时）第二节微生物代谢控制育种的措施（1学时）2讲授+图片4第三节生产菌种的选育方法（2学时）2讲授+图片35第四节菌种的扩大培养及保藏（2学时）2举例6第五节发酵培养基的设计（2学时）2举例7第三章灭菌与除菌工艺及设备第一节发酵有害微生物控制（2学时）2举例8第二节培养基灭菌（2学时）-12讲授+图片9第二节培养基灭菌（1学时）-2第三节无菌空气制备（1学时）-12讲授+实例10第三节无菌空气制备（1学时）-2第四节设备管道的清洗与灭菌（1学时）2举例11第四章厌氧发酵工艺及设备第一节厌氧发酵机制（2学时）2讲授+图片12第二节白酒与酒精发酵（2学时）-12讲授+实例+图片13第二节白酒与酒精发酵（2学时）-2214第三节啤酒发酵（2学时）-12讲授+实例+图片15第三节啤酒发酵（2学时）-22讲授+实例+图片16第五章好氧发酵工艺及设备第一节好氧发酵机制（2学时）-12讲授+实例+图片17第一节好氧发酵机制（2学时）-22讲授+实例+图片18第二节发酵过程的工艺控制（2学时）-12讲授+实例+图片19第二节发酵过程的工艺控制（2学时）-2220第三节通风发酵设备（2学时）-1221第三节通风发酵设备（2学时）-22讲授+图片22第四节发酵染菌及防治（2学时）2讲授+实例23第六章发酵动力学第一节发酵过程定量描述（1学时）第二节分批发酵（1学时）-12讲授+图片24第二节分批发酵（1学时）-2第三节连续发酵（0.5学时）第四节补料分批发酵（0.5学时）2工厂视频4章节第二章生产菌种的选育培养及发酵培养基设计（8学时）教学目的和要求了解微生物的代谢及调控机理，理解代谢调控在菌种选育中的重要性；了解菌种改良的原理和途径，熟悉新菌种的分离和筛选过程；掌握菌种扩大培养的工艺流程和菌种的保存方法；理解发酵培养基的设计思路和优化原则，掌握发酵培养基的设计。教学重点与难点重点：新菌种的分离和筛选过程；菌种扩大培养的工艺流程和菌种的保存方法难点：微生物的代谢及调控；发酵培养基的设计与优化教学进程（含章节教学内容、学时分配、教学方法、帮助手段）菌种设备性能决定发酵的三要素发酵营养条件提取工艺工艺条件环境条件第一节微生物的代谢及调控（1学时）一、微生物的初级代谢与次级代谢（一）初级代谢和初级代谢产物1.定义（1）初级代谢（primarymetabolism）书中：具有明确的生理功能，对维持生命活动不可缺少的物质代谢过程。微生物产生的对自身生长和繁殖必须的物质的代谢体系。百科：一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢生成维持生命活动的物质和能量的过程，称为初级代谢。（2）初级代谢产物（菌体对数生长期产生）初级代谢产物：微生物在代谢中，产生具有明确的生理功能，对维持生命活动不可缺少的物质称为初级代谢产物。如：氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和维生素等。（二）次级代谢和次级代谢产物1.定义（1）次级代谢（secondarymetabolism）书中/百科：微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。（2）次级代谢产物（一般是对数期后期或稳定期）百科：微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，称为次级代谢产物。如维生素、抗生素、色素、生物碱、生长激素和毒素等。初级代谢与次级代谢产物比较（让学生完成表格中内容）代谢类型代谢特点产物产生时期产物类型初级代谢明确生理功能，不可缺对数期氨基酸、核苷酸、糖类、脂肪酸等次级代谢无明确功能，非必需对数期后期或稳定期维生素、抗生素、色素、生物碱、生长激素和毒素等二、微生物代谢的调节及控制（一）微生物代谢的自我调节机制1.酶合成（酶量）的调节——诱导与阻遏诱导（induction）：凡是能促进酶合成的现象。诱导酶依赖诱导物的存在。阻遏（repression）：指酶生物合成被阻止的现象。本章重在使学生了解微生物的代谢及调控机理，理解代谢调控在菌种选育中的重要性，了解菌种改良的原理和途径，熟悉新菌种的分离和筛选过程；掌握菌种扩大培养的工艺流程和菌种的保存方法；理解发酵培养基的设计思路和优化原则，掌握发酵培养基的设计。通过菌种特点的介绍，引入菌种选育的基本概念，方法和步骤，并加以实例说明。本章在总结理论知识的同时，通过大量发酵菌种产品实例辅助学5（1）末端代谢产物反馈阻遏：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成阻遏的现象。常常发生在氨基酸，嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成中。（2）分解代谢产物阻遏：当细胞内同时存在两种可利用底物（C或N）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。葡萄糖效应：大肠杆菌利用混合碳源生长时，发现葡萄糖会抑制其它糖的利用。二次生长现象：大肠杆菌在含乳糖和葡萄糖的培养基中，优先利用葡萄糖，并只有当葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就形成了在两个对数期中间的第二生长停滞期。2.酶活性的调节——激活与抑制激活（enzymeactivator）：在分解代谢途径中，催化后面反应的酶的活性可被前面反应的中间产物所促进。抑制（enzymeinhibitor）：某一代谢途径的末端终产物过量产生后，它会直接作用于该途径中第一个酶，使其活性受到抑制，从而促使整条途径的反应速度减慢或停止，避免末端产物的过多积累。反馈抑制的优点：作用直接、效果快速，当末端终产物降低时又可重新解除。变构调节——变构酶（allostericenzyme）酶活性调节修饰调节——共价调节酶（covalentregulatoryenzyme）（二）微生物代谢的人工调控——代谢控制发酵代谢控制发酵（metaboliccontrolfermentation）：是指利用生物化学和遗传学的原理，利用生物工程手段控制微生物的代谢朝人们希望的方向进行，更多地产生和积累人们需要的目的产物。控制育种（内因）：通过遗传变异改变正常代谢途径和方向。控制方法控制发酵条件（外因）：供氧、营养类型和浓度、pH、表面活性剂等。第二节微生物代谢控制育种的措施（1学时）一、营养缺陷型突变株营养缺陷型（auxotrophicmutant）：野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长，称为营养缺陷型。筛选缺陷型菌株：诱发突变→淘汰野生型菌株→检出缺陷型→鉴别缺陷种类。（一）解除反馈调节的营养缺陷型突变菌株精氨酸缺陷型突变株：谷氨酸棒杆菌→鸟氨酸（氨基酸甲酰转移酶缺陷）