《微生物工程》教学大纲

 

课程中文名称：微生物工程

课程英文名称：Microbial Engineering

课程编号：ZH13401

课程类型：专业核心课

学    时：（总学时54、理论课学时34、实验课学时20）

学    分：3

适用对象：生物技术专业

先修课程：生物化学、微生物学

课程简介：

《微生物工程》是生物技术专业的一门综合性很强的专业核心课程，涉及到数学、化学、生物学、生物化学、微生物学、物理化学、有机化学、化工原理等多个学科，基础理论和实践性均很强，要求基础理论和生产实践密切结合。本课程内容主要包括生产菌的选育，发酵条件的优化和控制，反应器的设计和产物的分离、提取与精制等。通过本课程的学习，学生能够掌握微生物工程的基本原理和基本操作流程，并初步具有开发新菌种、新工艺和新技术的能力。

一、教学目标及任务

该课程在理论教学的过程中，配合生产实习和实验的实践环节，要求学生建立实际生产的概念，在参观实习和社会实践中巩固本课程的教学效果，培养分析问题和解决问题的能力。学生通过该课程的学习将会缩短理论与生产实践的距离，建立用理论知识分析和解决生产实际问题的概念和能力。为以后学习生物工程设备，生物工程下游技术等课程打下坚实的基础，也为学生毕业后读研、到企事业单位从事生物技术方面的工作，做好必要的理论，知识和技能准备。

二、学时分配

三、教学内容及教学要求

第一章 微生物工程概论（1学时）

教学重点：微生物工程的概念。

教学难点：微生物工程中四大技术。

教学要求：了解微生物工程所涉及的范围、特点、发展历程及发展趋势；理解微生物工程的一般概念；掌握微生物发酵工艺生产的一般培养方法和过程。

第一节  微生物工程的发展简史

1.传统的微生物发酵技术—天然发酵

2.第一代微生物发酵技术—纯培养技术

3.第二代（近代）微生物发酵技术—深层培养技术

4.第三代微生物发酵技术—微生物工程

第二节  微生物的应用

1.在食品工业中的应用

2.在医药卫生中的应用

3.在化工能源产品中的应用

4.在农业中的应用

5.在环境保护中的应用

本章习题要点：

1.微生物工程概念

2.微生物反应过程的特点（与化学工程相比）

3.微生物工程的发展简史

4.微生物工程产品类型

第二章 发酵工业菌种与扩大培养（5学时）

教学重点：生物物质产生菌的筛选过程、诱变选育方法、斜面保藏菌种。

教学难点：菌种分离的方法、杂交选育方法、沙土管保藏菌种。

教学要求：了解发酵工业常用的微生物菌种；理解发酵工业微生物菌种的分离和选育工作并掌握分离和育种的原理和技术；理解发酵工业微生物菌种的衰退的原因、复壮的措施和保藏的方法；掌握菌种扩大培养原理和技术。

第一节  生物物质产生菌的筛选

1.微生物是生物活性物质的丰富资源

2.含微生物材料的标本采集

3.标本的预处理

第二节  菌种的分离

1.施加选择性压力分离法

2.随机分离法

第三节  诱变选育

1.出发菌株的选择

2.诱变剂的选择

3.诱变剂的剂量选择

4.突变株的筛选

第四节  杂交育种

1.放线菌的杂交育种

2.霉菌的杂交育种

第五节  基因工程技术

1.基因表达系统

2.基因工程菌的稳定性

第六节  菌种保藏

1.原理

2.常用方法

第七节  菌种扩大培养

1.种子的准则

2.种子的制备工艺

3.种子的质量控制

本章习题要点：

1.发酵工业用的微生物菌种符合条件

2.微生物工程工业生产水平决定因素

3.微生物菌种分离与筛选工作程序

4.微生物菌种选育的方法

5.菌种保藏方法

6.工业发酵中，常用的种子符合准则

7.种子质量判断参数

第三章  微生物的代谢调节（4学时）

教学重点：酶活性调节机制；诱导酶和组成酶。

教学难点：酶合成调节的机制。

教学要求：了解微生物的代谢调节概念；理解掌握代谢工程原理；掌握微生物的代谢调节类型和自我调节部位；掌握酶活性调节和酶合成调节。

第一节  微生物的代谢调节类型和自我调节

1.代谢调节类型

2.微生物自我调节部位

第二节  酶活性调节

1.酶的激活作用与抑制作用

2.酶活性调节机制

第三节  酶合成调节

1.酶合成的诱导作用

2.酶合成的阻遏

3.酶合成调节的机制

第四节  分支生物合成途径的调节

1.同工酶调节

2.协同反馈调节

3.累加反馈调节

4.增效反馈调节

5.顺序反馈调节

第五节  代谢调控

1.发酵条件的控制

2.改变细胞透性

3.菌种遗传特性的改变

第六节  代谢工程

1.改变代谢途径

2.扩展代谢途径

3.转移或构建新的代谢途径

本章习题要点：

1.微生物酶活性调节的方式

2.酶合成调节的类型

3.酶合成调节的分子机制（乳糖操纵子和色氨酸操纵子）

4.分支生物合成途径的调节类型

5.克服反馈调节的方法

6.克服分解代谢阻遏的方法

7.代谢工程的定义、目的、研究对象。

8.代谢工程研究的设计思路

9.代谢工程的基本过程

 

第四章  发酵原料与培养基制备（2学时）

教学重点：影响培养基质量的因素。

教学难点：碳氮比例的调节。

教学要求：了解培养基营养成分的来源和配制培养基的基本原则；了解发酵生产培养基的组成成份及其在发酵中的作用；理解淀粉糖的制备原理；掌握影响培养基质量的因素及控制措施。

第一节  培养基的成分

1.碳源物质与氮源物质

2.无机盐和微量元素

3.前体与促进剂

第二节  营养物质的调节

1.不同碳源的利用速度

2.氮源利用及与碳源利用的关系

3.碳氮比例的调节

4.前体的控制与补料

第三节  培养基的类型

1.孢子培养基

2.种子培养基

3.发酵培养基

本章习题要点：

1.培养基的类型

2.前体及在发酵中常采用加入方式

3.促进剂与抑制剂的概念

4.正交实验设计的分析方法.

第五章  发酵工艺控制（4学时）

教学重点：温度对发酵的影响；氧的传递与传质方程式。

教学难点：影响供氧的因素。

教学要求：了解发酵过程的主要控制参数及代谢的变化规律；理解氧的传递与传质方程式；掌握温度、pH值、溶解氧浓度、菌体浓度、基质浓度、补料和泡沫的影响及其控制方法。

第一节  温度对发酵的影响及调节控制

1.温度对发酵的影响

2.影响发酵温度的因素

3.发酵热的确定

4.最适温度的选择与发酵温度的控制

第二节  pH对发酵的影响及控制

1.pH对发酵的影响

2.影响发酵PH的因素

3.最适PH的选择与调节

第三节  氧对发酵的影响

1.氧的传递与传质方程式

2.影响微生物对氧需求的因素

3.培养基的流变特性

4.影响供氧的因素

第四节  二氧化碳对发酵的影响及控制

1.二氧化碳的来源及对发酵的影响

2.二氧化碳浓度的控制

第五节  泡沫对发酵的影响及控制

1.泡沫产生的原因与危害

2.泡沫的消长规律

3.泡沫的消除和防止

本章习题要点：

1.发酵热及影响发酵温度的因素

2.发酵罐温度的控制方法

3.临界氧浓度和氧的满足度

4.合适溶解氧选择的原则

5.发酵液中的溶解氧控制

6.泡沫对发酵的影响

第六章  发酵过程的参数检测（2学时）

教学重点：溶解氧（DO）的测量。

教学难点：前馈控制和反馈控制。

教学要求：了解发酵过程的自动控制方法；理解参数测定的原理；掌握发酵过程的参数检测方法。

第一节  发酵过程的参数检测

1.物理参数检测

2.化学参数检测

3.间接参数检测

第二节  发酵过程的自动控制

1.基本的自动控制系统

2.发酵过程的自动控制系统的硬件组成

本章习题要点：

1.发酵过程中物理参数

2.发酵过程中化学参数

3.发酵过程中间接参数

4.发酵过程中自动控制的方式

 第七章  微生物工程下游加工工程（6学时）

教学重点：下游加工工程的一般程序。

教学难点：下游加工工程的常用分离、纯化方法。

教学要求：了解微生物工程下游加工工程的特点和重要性；理解下游技术新概念；掌握握微生物工程下游加工工程的常用分离、纯化方法。

第一节  微生物工程下游加工工程的特点和重要性

第二节  微生物工程下游加工工程的基本原理

第三节  微生物工程下游加工工程的一般程序

第四节  微生物工程下游加工工程的常用分离、纯化方法

1.过滤法

2.沉淀法

4.吸附法

5.离子交换法

6.结晶法

本章习题要点：

1.微生物工程下游工程的特点

2.微生物工程下游工程的一般程序

3.发酵液预处理和过滤的目的

4.提高发酵液过滤性能的方法

5.细胞破碎的方法

6.常用的沉淀方法及原理

7.溶剂萃取原理与萃取剂和萃取液

8.离子交换法及离子交换剂组成

9.凝胶层析与原理

10.膜过滤特点与膜过滤可方式

第八章  微生物工程生产设备（4学时）

教学重点：机械搅拌发酵罐。

教学难点：两相分离设备。

教学要求：了解常用的发酵设备、空气除菌设备、产品纯化设备；理解各设备的作用基本原理；掌握培养基及发酵设备的灭菌方法。

第一节  培养基及发酵设备的灭菌

1.灭菌方法

2.培养基的灭菌

3.培养基的分批灭菌

4.培养基的连续灭菌

第二节  发酵设备

1.机械搅拌发酵罐

2.其他类型发酵罐

3.搅拌轴功率的计算

4.发酵罐的放大

第三节  空气除菌设备

1.介质除菌的原理

2.介质过滤效率的过滤器的计算

3.空气除菌设备

第四节  产品纯化设备

1.两相分离设备

2.蒸发浓缩设备

3.干燥设备

本章习题要点：

1.通风发酵罐类型

2.机械搅拌通风发酵罐要件组成

3.微生物的热阻与对数残留定律

4.影响培养基灭菌的主要因素

5.实罐灭菌的主要步骤

6.连续灭菌有何优缺点

7.空气净化的目的

8.介质除菌的原理与影响介质过滤效率的因素

 

第九章  微生物工程生产举例（6学时）

教学重点：柠檬酸发酵生产工艺。

教学难点：污水的生物处理原理与方法。

教学要求：了解生产工艺流程；理解具体产品微生物发酵的机制；掌握产品的提取及方法。

第一节  抗生素生产工艺

1.抗生素的分类

2.抗生素生产工艺

3.青霉素生产工艺

第二节  氨基酸生产工艺

1.氨基酸生产工艺控制

2.氨基酸生产工艺

3.异亮氨酸、亮氨酸生产工艺

第三节  柠檬酸生产工艺

1.柠檬酸发酵生产工艺

2.柠檬酸提取生产工艺

3.柠檬酸精制生产工艺

第四节  啤酒生产工艺

1.啤酒的分类

2.生产原料

3.生产工艺

本章习题要点：

1.抗生素、效价单位的概念

2.谷氨酸积累机理与调控

3.黑曲霉生物合成柠檬酸的途径与生产工艺流程

4.啤酒的生产工艺流程

5.发酵度与发酵速度的概念

四、考核方式及要求

考核方式：采用闭卷、笔试。

考试成绩：笔试成绩+平时成绩，其中笔试成绩占80%（理论知识70%+实验技能30%），平时成绩占20%。

要    求：

1.全面检查学生对微生物工程基本理论、基础知识、基本技能的理解和掌握情况，使学生了解自己在本学科上的进步和不足之处，明确今后努力的方向。

2.了解教师的教学效果，如实评价考试质量好坏，借此发现教师教学方面存在的问题，改进教学工作，有利于提高教学质量。

3.总结教学成功经验，查漏补缺，改进教学方法

五、教材及教学主要参考书 

[1]曹军卫主编.微生物学工程.第二版.科学出版社.2007年

[2]吴松刚主编.微生物工程.科学出版社.2004年

[3]党建章主编.发酵工艺教程.中国轻工出版社.2008年

[4]姚汝华主编.微生物工程工艺原理.华南理工大学出版社.2002年

[5]贺小贤主编.生物工艺原理.化学工业出版社.2002年

 

大纲制定人：	李正鹏
大纲审定人：	吴  萍
制定时间：	2011.6