《生化反應(yīng)工程》課程教學(xué)大綱

PAGE1-本科生課程大綱課程名稱生化反應(yīng)工程（BiochemicalReactionEngineering）課程代碼081703101201課程屬性專業(yè)知識課時/學(xué)分64/4課程性質(zhì)必修實踐學(xué)時0責(zé)任教師課外學(xué)時64課程屬性：公共基礎(chǔ)/通識教育/學(xué)科基礎(chǔ)/專業(yè)知識/工作技能，課程性質(zhì)：必修、選修課程介紹1.課程描述：生化反應(yīng)工程，是一門以生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、計算機(jī)與信息技術(shù)等多學(xué)科為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，它以生物反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，將傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)方法與生物反應(yīng)過程的反應(yīng)特性方面的知識相結(jié)合，進(jìn)行生物反應(yīng)過程分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計、操作和控制等。生物反應(yīng)工程主要研究生物反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題，其在生物工業(yè)中起著舉足輕重的作用。從學(xué)科分類看，生物反應(yīng)工程是生物工程的核心。本課程主要包括酶的制備與修飾改造、生物反應(yīng)動力學(xué)和生物反應(yīng)器三個部分。酶的制備與修飾改造部分著重介紹酶的發(fā)酵、分離和結(jié)構(gòu)修飾與分子改造的方法。動力學(xué)部分著重討論酶促反應(yīng)過程與微生物反應(yīng)過程的基本動力學(xué)規(guī)律：均相酶反應(yīng)動力學(xué)、細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)和固定化生物催化劑反應(yīng)動力學(xué)。生物反應(yīng)器部分著重介紹了理想的間歇操作反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)器（CSTR和CPFR）、半連續(xù)操作反應(yīng)器、反應(yīng)器的傳遞特性和生化反應(yīng)器的設(shè)計與放大。2.設(shè)計思路：“生化反應(yīng)工程”是生物工程專業(yè)的一門最重要的專業(yè)核心課之一。經(jīng)過多年的探索總結(jié)，本課程確立了培養(yǎng)學(xué)生自主獲取知識能力的教學(xué)理念，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程思維為目標(biāo)，逐步建立了一套與現(xiàn)代化教學(xué)手段相適應(yīng)的教學(xué)體系和教學(xué)方法，形成了以課堂講授與實例分析相結(jié)合的教改特色，從而培養(yǎng)學(xué)生解決生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中關(guān)鍵問題的能力，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的目的。（1）課程引入，生動有趣通過“石油經(jīng)濟(jì)正在向生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展”、“生物經(jīng)濟(jì)將引領(lǐng)世界經(jīng)濟(jì)形態(tài)”、“工業(yè)生物技術(shù)正在引領(lǐng)全球制造業(yè)的重大變革”、“中國的生物技術(shù)與產(chǎn)業(yè)迎來歷史機(jī)遇”等案例和知識引導(dǎo)學(xué)生了解以生物催化劑為核心內(nèi)容、以生物反應(yīng)工程為核心技術(shù)的生化反應(yīng)工程技術(shù)（又稱工業(yè)生物技術(shù)）是繼醫(yī)藥生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)之后，國際生物技術(shù)發(fā)展的“第三次浪潮”，其地位已經(jīng)被提到空前的戰(zhàn)略高度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的自豪感和使命感。同時通過引入生動有趣的“弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的歷程故事”激發(fā)學(xué)生對課程的求知欲望；結(jié)合“弗萊明與英國病理學(xué)家弗洛里以及生物化學(xué)家錢恩共同獲得1945年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎”的故事，教授學(xué)生團(tuán)隊合作與學(xué)科交叉的重要性。（2）案例教學(xué)，突出應(yīng)用本課程講授過程最大的愿望就是通過課堂講授，讓大家學(xué)會針對生產(chǎn)過程的問題，通過數(shù)學(xué)工程思維來分析問題的根源，并依據(jù)具體的數(shù)學(xué)公式理性的提出解決方案，而不是單純依靠傳統(tǒng)的因素優(yōu)化實驗。這是一種重要的工程思維的講授和形成過程。因此，在每一章節(jié)開始之前，都會通過啟發(fā)性教學(xué)和創(chuàng)新性教學(xué)相結(jié)合，將生物產(chǎn)業(yè)最新案例如“鳥苷產(chǎn)品細(xì)胞反應(yīng)過程優(yōu)化”、“青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程”和“維生素B12發(fā)酵放大”等國內(nèi)外生物產(chǎn)業(yè)存在的實際問題進(jìn)行講解，并提出當(dāng)時的產(chǎn)業(yè)化瓶頸，引出“如何通過本章節(jié)要講授的生化反應(yīng)工程相關(guān)知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出解決問題的方案”引起學(xué)生關(guān)注點突出章節(jié)內(nèi)容的應(yīng)用性。并且在章節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)完之后，讓學(xué)生利用講授的知識分組討論，嘗試通過生化反應(yīng)工程知識解決上述產(chǎn)業(yè)技術(shù)難題，實現(xiàn)教學(xué)效果的當(dāng)堂評價。實施結(jié)果表明，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心，以批判的態(tài)度在學(xué)習(xí)過程對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行思考和質(zhì)疑，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對嘗試、失敗等方面的適應(yīng)能力增強(qiáng)；教學(xué)效果評價及時，學(xué)習(xí)效率顯著提高。（3）團(tuán)隊合作，因材施教圍繞生化反應(yīng)工程在生物產(chǎn)業(yè)以及科學(xué)研究中的應(yīng)用，讓學(xué)生分組討論理論知識如何在生物產(chǎn)業(yè)和科學(xué)研究中實現(xiàn)應(yīng)用。要求學(xué)生必須針對當(dāng)前生物產(chǎn)業(yè)過程存在的問題，用自己的知識進(jìn)行分析，并通過撰寫報告、進(jìn)行PPT報告和討論。該方式不僅可以起到以往強(qiáng)調(diào)的鞏固和深化所學(xué)專業(yè)知識的目的，而且提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)－分析－解決問題的學(xué)習(xí)方法。同時可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識，學(xué)會接受不同的觀點，并在碰撞過程形成統(tǒng)一的見解。同時，注意因材施教。在保證全體學(xué)生達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的前提下，針對學(xué)有余力、成績突出的學(xué)生，結(jié)合學(xué)生正在進(jìn)展的OUC-SRDP等科研創(chuàng)新活動，讓學(xué)生在科研實踐過程中應(yīng)用本課程所學(xué)的知識。充分利用自身科研項目與本課程的關(guān)聯(lián)性，為優(yōu)秀學(xué)生提供利用本課程知識獨立進(jìn)行科學(xué)研究的平臺。尤其是為了突出課程的應(yīng)用性，進(jìn)一步以自身研究成果為載體，指導(dǎo)優(yōu)秀學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)業(yè)計劃競賽。通過課堂教學(xué)的補(bǔ)充，充分激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新精神，提高了學(xué)生的工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力。（4）課后作業(yè)，主動學(xué)習(xí)突出本課程是生物工程專業(yè)最重要且難度最大的核心課程的特點，針對學(xué)習(xí)過程中不僅涉及微生物和酶、生物化學(xué)的知識，還有大量數(shù)學(xué)計算的過程，更重要的是還有工程問題解決和應(yīng)用的問題，因此學(xué)生既要從微觀上掌握生物催化劑的反應(yīng)，又要根據(jù)反應(yīng)過程學(xué)會用數(shù)學(xué)工程思維來解釋反應(yīng)過程，更要將反應(yīng)和計算的知識應(yīng)用到解決實際問題的過程。始終對學(xué)生強(qiáng)調(diào)“生化反應(yīng)工程”實際上不是64學(xué)時，是64課時；即除了課堂上的64課時，還應(yīng)有課下自學(xué)的64學(xué)時。因此，課下給學(xué)生布置適量作業(yè)，對于課堂上一些重要的推導(dǎo)過程，有針對性的講授清楚最典型的反應(yīng)動力學(xué)過程和產(chǎn)業(yè)化難題解決過程的意義，簡單教授推導(dǎo)過程；課下由同學(xué)們作為作業(yè)自行詳細(xì)推導(dǎo)，便于加深理解、鞏固知識，同時培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。3.課程與其他課程的關(guān)系：本課程屬于生物工程專業(yè)的一個重要組成部分和化學(xué)反應(yīng)工程的一個分支，是為了生物工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)完《生物化學(xué)》和《化工原理》等課程后，為拓展知識面而開設(shè)的一門必修專業(yè)課。在掌握生物化學(xué)和化工原理基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)解決生物反應(yīng)過程中具有普遍意義的特殊工程技術(shù)問題和生化反應(yīng)過程涉及的反應(yīng)設(shè)備問題。二、課程目標(biāo)本課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握生物反應(yīng)過程動力學(xué)基本規(guī)律，掌握生物反應(yīng)器的基本理論和設(shè)計的基本方法，了解本領(lǐng)域國內(nèi)外的研究進(jìn)展。建立生化過程的工程學(xué)概念與工程意識，能夠通過運用所學(xué)的理論知識進(jìn)行生物反應(yīng)過程的工程分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計、擴(kuò)大、操作和優(yōu)化控制。學(xué)會使用上述工程原理與方法來處理生物技術(shù)的工程放大與生產(chǎn)應(yīng)用問題。三、學(xué)習(xí)要求在講授“生化反應(yīng)工程”的過程中，要求學(xué)生配合老師根據(jù)生化反應(yīng)工程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計在教學(xué)實施中隨堂評價設(shè)計教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。（1）首課摸底，掌握基礎(chǔ)在第一節(jié)課上，以生物產(chǎn)業(yè)中與生化反應(yīng)工程技術(shù)緊密相關(guān)的難題作為摸底考試題目（主觀論述題和綜合應(yīng)用題），考查學(xué)生學(xué)習(xí)本課程之前對生化反應(yīng)工程的了解情況；學(xué)生從一開始就帶著思考和問題來學(xué)習(xí)本課程。本摸底考試不作為期末考試的評價依據(jù)，但是期末考試的題目與本次摸底考試的題目有關(guān)聯(lián)性。鑒于摸底考試題目的主觀性和綜合性，通過期末考試學(xué)生的答題情況基本可以反饋出本課程教學(xué)內(nèi)容的達(dá)成度。（2）聽課記錄，聚精會神制作統(tǒng)一的《聽課記錄》，要求學(xué)生每節(jié)課記錄本節(jié)課內(nèi)容提綱，課堂提問、討論、思考問題答案，課后學(xué)習(xí)委員統(tǒng)一復(fù)印，復(fù)印件學(xué)生留在手中用于課下自學(xué)，原件交給老師。這一手段的實施，主要是要求全體學(xué)生必需認(rèn)真聽講，提高課堂學(xué)習(xí)效率；一些討論的答案也可以反映出學(xué)生上課討論的參與程度；同時學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中始終跟隨老師的進(jìn)度，并在宏觀上了解本節(jié)課學(xué)習(xí)的框架結(jié)構(gòu)，便于課下自學(xué)，強(qiáng)化了教學(xué)過程學(xué)生的參與度。（3）問題導(dǎo)入，提高自信針對每節(jié)課學(xué)習(xí)的知識點，在課前以“問題導(dǎo)入模式”，將于本章節(jié)知識點相關(guān)的產(chǎn)業(yè)案例關(guān)鍵技術(shù)難題拋給學(xué)生，要求學(xué)生大膽思考，一方面可以評價學(xué)生預(yù)習(xí)的效果，另外一方面讓學(xué)生從開始就了解即將學(xué)習(xí)知識的用武之地。在完成本章節(jié)知識點的講授以后，立即針對課前導(dǎo)入的問題進(jìn)行測試，達(dá)到隨堂評價教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度的目的，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，有針對性的開展教學(xué)工作。（4）教研相長，合作學(xué)習(xí)學(xué)生根據(jù)本課程的內(nèi)容，檢索文獻(xiàn)，寫一篇2000字左右的綜述。要求綜述的主題圍繞生化反應(yīng)工程在生物產(chǎn)業(yè)以及科學(xué)研究中的應(yīng)用，針對檢索的文獻(xiàn)，對文獻(xiàn)中的生化反應(yīng)工程研究進(jìn)行評價，并結(jié)合自身所學(xué)的課程對其展開分析，突出自己的觀點。通過此次綜述的撰寫，把課堂所學(xué)理論知識鞏固一遍，并且突出理論聯(lián)系實際的過程，重點理解課堂上的理論知識如何在生物產(chǎn)業(yè)和科學(xué)研究中實現(xiàn)應(yīng)用。在完成上述論文綜述基礎(chǔ)上，分組對本課程主要內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)凝練，突出知識點與實際案例的關(guān)聯(lián)性，形成PPT講稿，給同學(xué)們講述本章知識點的應(yīng)用，達(dá)到復(fù)習(xí)鞏固和實踐應(yīng)用的目的。為量化小組學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度，制定了詳細(xì)的評價標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則，分為“小組展示互評”和“小組內(nèi)合作互評”兩部分?！靶〗M展示互評”的目的是給大家提供一次客觀批判性對待同學(xué)們的團(tuán)隊合作，且能夠獲得有建設(shè)性意見的反機(jī)會，評分標(biāo)準(zhǔn)包括內(nèi)容、組織結(jié)構(gòu)、形象化和其他材料的運用、展示的總體感覺等四部分；“小組內(nèi)合作互評”的目的是給大家提供對本組成員的工作進(jìn)行點評和評價的機(jī)會。這項評估不僅體現(xiàn)了小組作品的結(jié)果展示，還包括小組展示的準(zhǔn)備過程，評分標(biāo)準(zhǔn)包括參與度、聆聽、反饋、創(chuàng)新和可行性建議的貢獻(xiàn)度等四部分。通過量化評價標(biāo)準(zhǔn)，來考核學(xué)生對知識應(yīng)用和團(tuán)隊合作的達(dá)成度。（5）科學(xué)考核，體現(xiàn)效果本課程最終的考核成績由平時成績和期末考試成績構(gòu)成，平時成績占40%課下作業(yè)、課堂討論及平常表現(xiàn)30%，平時測驗10%）；期末考試占60%。平時成績依據(jù)“聽課記錄”、“問題導(dǎo)入模式中的隨堂考試”、“課后作業(yè)及其達(dá)成度評價”、“論文綜述”和“分組學(xué)習(xí)討論”的成績做出計算，期末考試為閉卷考試。通過上述評價體系，能夠合理的反映出本課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度，指導(dǎo)進(jìn)一步的教學(xué)改革和教學(xué)內(nèi)容完善。四、教學(xué)進(jìn)度序號專題或主題計劃課時主要內(nèi)容概述1總論（或緒論、概論等）21.1生化反應(yīng)工程背景介紹1.2生化反應(yīng)工程的定義1.3生化反應(yīng)工程的目的、內(nèi)容和方法1.4生化反應(yīng)工程的特征1.5生化反應(yīng)工程的主要發(fā)展趨勢和成果1.6生化反應(yīng)工程的主要內(nèi)容1.7本章小結(jié)2酶的應(yīng)用42.1酶在醫(yī)藥方面的應(yīng)用2.2酶在食品方面的應(yīng)用2.3酶在輕工、化工方面的應(yīng)用2.4酶在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用2.5酶在生物技術(shù)方面的應(yīng)用2.6酶在海洋生物資源開發(fā)方面的應(yīng)用3微生物發(fā)酵產(chǎn)酶43.1微生物細(xì)胞中酶生物合成的調(diào)節(jié)3.2產(chǎn)酶微生物的特點3.3發(fā)酵工藝條件及其控制4細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)44.1細(xì)胞反應(yīng)概論4.2細(xì)胞反應(yīng)過程計量學(xué)4.3細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)4.4底物消耗與產(chǎn)物生成動力學(xué)4.5細(xì)胞反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)估算5酶的提取與分離純化45.1細(xì)胞破碎5.2提取5.3沉淀分離5.4離心分離5.5過濾與膜分離5.6層析分離5.7電泳分離5.8萃取分離5.9結(jié)晶5.10濃縮與干燥6酶分子修飾66.1金屬離子置換修飾6.2大分子結(jié)合修飾6.3側(cè)鏈基團(tuán)修飾6.4肽鏈有限水解修飾6.5核苷酸鏈剪切修飾6.6氨基酸置換修飾6.7核苷酸置換修飾6.8物理修飾6.9酶分子修飾的應(yīng)用7酶定向進(jìn)化57.1酶定向進(jìn)化的特點7.2酶基因的隨機(jī)突變7.3酶突變基因的定向選擇7.4酶定向進(jìn)化的應(yīng)用8酶非水相催化48.1酶非水相催化的主要內(nèi)容8.2有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)影響8.3沒在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性8.4有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制8.5酶非水相催化的應(yīng)用9均相酶催化反應(yīng)動力學(xué)59.1酶催化反應(yīng)概論9.2單底物酶催化反應(yīng)動力學(xué)9.3有抑制劑的酶催化反應(yīng)動力學(xué)9.4復(fù)雜的酶催化反應(yīng)動力學(xué)9.5酶反應(yīng)過程的影響因素9.6酶的失活動力學(xué)10固定化生物催化劑及其反應(yīng)動力學(xué)610.1固定化生物催化劑概論10.2酶固定化10.3細(xì)胞固定化10.4原生質(zhì)體固定化10.5固定化對反應(yīng)的影響10.6外擴(kuò)散限制效應(yīng)10.7內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)10.8擴(kuò)散影響下的表觀動力學(xué)10.9固定化微生物細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶10.10固定化微生物原生質(zhì)體發(fā)酵產(chǎn)酶11理想操作反應(yīng)器811.1生物反應(yīng)器概論11.2間歇操作反應(yīng)器11.3連續(xù)操作反應(yīng)器（CSTR）11.4連續(xù)操作反應(yīng)器（CPFR）11.5半連續(xù)操作反應(yīng)器12反應(yīng)器的傳遞特性412.1反應(yīng)器傳遞特性概論12.2氧的傳遞12.3反應(yīng)器的流動特性12.4反應(yīng)器的傳熱特性13生化反應(yīng)器的放大813.1反應(yīng)器設(shè)計與放大概論13.2機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)13.3攪拌器功率與攪拌作業(yè)功率13.4體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的計算13.5機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器的傳熱13.6放大原理與放大準(zhǔn)則13.7機(jī)械攪拌罐的放大五、參考教材與主要參考書1、選用教材（告知學(xué)生需要購買的教材）戚以政、夏杰、王炳武：生物反應(yīng)工程，化學(xué)工業(yè)出版社，2009.8第二版郭勇：酶工程，科學(xué)出版社.2016.12、主要參考書國外1975年日本學(xué)者合葉修一等《生物化學(xué)工程反應(yīng)動力學(xué)》1979年日本學(xué)者山根恒夫《生物