《生物工艺学》课程教学大纲
（Bioprocess Engineering）
撰写人：冷非凡 审核人：李雪雁
一、课程说明
课程编号：307262
学时学分：64学时 4.0学分
先修课程：化工原理、生物化学、微生物学
开课学期：第6学期
适用专业：生物工程
课程性质：专业必修课
开课学院：生命科学与工程学院
二、课程教学目标
通过本课程的学习，使学生具备下列能力：
1、深入理解和掌握生物工艺的基本理论及过程控制原理，熟悉各种生物工艺流程及生物技术产业化的科学原理；
2、使学生初步具备选育微生物新菌种、探索新工艺、研发生物技术新产品、开发新型生物反应器的能力，提高学生的综合应用与分析能力；
3、能够熟练应用生物学与工程学方面的知识和技能，解决生物工程领域的复杂工程问题，为学生今后在生物技术与工程等相关领域从事生产、研发和管理等相关工作奠定基础。
三、课程教学目标对毕业要求的支撑关系
毕业要求 | 课程目标对毕业要求的支撑关系 |
1. 工程知识：掌握数学、自然科学、工程基础和专业知识，能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决生物工程及相关领域复杂工程问题。 | 1.3 具备生物工程专业知识，能综合应用所学知识解决生物领域复杂工程问题。 | 课程教学目标1 |
2. 问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析生物工程领域复杂工程问题，以获得有效结论。 | 2.3 能够应用生物工程基本方法，通过文献研究寻求生物工程领域复杂工程问题解决方案及其影响因素，获得有效结论。 | 课程教学目标2 |
3. 设计/开发解决方案：能够设计针对生物工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、工艺流程或操作单元，并能够在设计环节中体现创新意识，并使设计方案符合社会、健康、安全、法律、文化以及环境等要求。 | 3.1 掌握生物工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术，制定针对生物工程领域复杂工程问题的解决方案。 | 课程教学目标3 |
四、课程教学内容
教学内容 | 教学要求 | 学时 | 教学 方式 | 对应的教学目标 |
第一章 绪论 生物反应过程的重要组成部分，生物生产工艺的特性，生物技术的应用，生物工艺学的发展历程，我国生物工业领域的主要成就，生物工艺学的发展趋势 | 【重点】生物反应过程的五个重要组成部分；生物技术在六大领域的应用 【难点】生物工艺学在技术层面上的主要发展趋势 | 2 | 讲授法 讨论法 案例法 线上线下混合法 | 课程教学目标1 |
第二章 工业微生物菌种选育 工业微生物的菌种类别、典型代表、基本特性及其代表产品，菌种选育的方法 | 【重点】诱变育种的机理及应用；突变株筛选技术；航天育种的诱变机理 【难点】合成生物学——微生物细胞工厂新思路 | 4 | 讲授法 讨论法 案例法 自学法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2 |
第三章 发酵培养基的制备与种子制备工艺 发酵培养基的类型及成分来源，发酵原料及其预处理，发酵培养基的设计原理及优化方法，空气、设备及管道灭菌的操作，种子制备工艺，种子质量的控制措施 | 【重点】淀粉质原料和纤维素原料的预处理；发酵培养基的设计与优化；空气除菌原理；种子的逐级扩大培养 【难点】葡萄糖效应；发酵培养基的设计原理及优化方法 | 8 | 讲授法 讨论法 案例法 自学法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2 |
第四章 工业微生物代谢及其调控 微生物的代谢调节，微生物次级代谢，糖厌氧发酵产物合成途经，柠檬酸发酵机制，氨基酸发酵机制，核酸类物质发酵机制，抗生素发酵机制 | 【重点】代谢控制发酵的概念；前体的定义和作用；柠檬酸发酵机制；谷氨酸生物合成途径及调节机制；菌种选育模型 【难点】把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径；谷氨酸生物合成调控机制 | 8 | 讲授法 分析法 归纳法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2、3 |
第五章 生物工艺过程动力学 细胞生长动力学，生物工艺过程动力学，生物工艺过程动力学分析实例 | 【重点】发酵动力学特征描述参数：生长速率、比生长速率；Monod方程及其意义，有抑制因素时的细胞生长动力学；分批发酵动力学、单级连续发酵动力学 【难点】细胞反应动力学模型的建立；动力学参数求解；参数分析和反应过程优化 | 4 | 讲授法 分析法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2 |
第六章 发酵工艺控制与优化 四种发酵方式的定义、特点及应用，发酵过程的影响因素：种子质量、培养基、灭菌情况、温度、pH、氧的供给、二氧化碳、呼吸商、基质浓度、补料、泡沫，氧气传递过程中的双膜理论，杂菌及噬菌体感染对发酵的影响及其防治措施，发酵终点的判断，微生物培养及发酵过程优化技术 | 【重点】最适温度、最适pH的选择及调控措施；微生物耗氧与发酵液中氧的传递方程；菌体浓度、基质、二氧化碳对发酵的影响及控制；发酵终点判断的依据；染菌的原因及其防治；基于微生物生理代谢特性的分阶段培养优化技术 【难点】根据温度和pH变化的原因采取适当的控制措施；从供需两方面调控发酵液中溶解氧的方式；排气中二氧化碳浓度与菌体量、pH值、排气氧的关系；基于代谢通量分析与代谢组学分析的过程优化技术 | 10 | 讲授法 分析法 归纳法 讨论法 案例法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2、3 |
第七章 生物产品工艺学 柠檬酸生产工艺，谷氨酸生产工艺，抗生素生产工艺，维生素C生产工艺，啤酒生产工艺 | 【重点】柠檬酸深层液态发酵工艺；谷氨酸生产菌的特性及谷氨酸发酵工艺；等电点法提取谷氨酸的原理及工艺；啤酒生产主要原辅料的作用；麦汁制造原理及工艺；啤酒发酵工艺 【难点】黑曲霉发酵生产柠檬酸的机理；谷氨酸生产工艺及其控制；麦汁制造过程中物质变化及对发酵的影响 | 16 | 讲授法 分析法 案例法 讨论法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2、3 |
第八章 微藻培养技术 微藻的生物学特点，微藻培养用生物反应器，微藻光自养培养，微藻异养培养，微藻高密度培养 | 【重点】微藻光自养培养技术；微藻光自养培养用光生物反应器 【难点】微藻光自养生长动力学 | 4 | 讲授法 讨论法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2 |
第九章 微生物湿法冶金 微生物湿法冶金的概念及各种常见的矿产资源分布，常见浸矿微生物分论，浸矿微生物的作用机理，微生物湿法冶金工艺，微生物湿法冶金的国内外研究现状 | 【重点】微生物湿法冶金的概念；主要的浸矿微生物种类及其特性；破硫膜作用说；重金属抗性机制；搅拌浸出、堆浸工艺 【难点】浸矿的间接作用机理；顺流浸出、逆流浸出、错流浸出的工艺路线 | 6 | 讲授法 讨论法 分析法 演示法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2、3 |
第十章 生物质能源利用及工业废水的生物处理 燃料乙醇，生物柴油，沼气发酵的原理及应用，好氧活性污泥的定义及特点，活性污泥中的微生物群落，好氧活性污泥净化废水的作用机理 | 【重点】生物质能源的定义；生物柴油的生产；影响活性污泥性能的环境因素 【难点】活性污泥净化废水的作用机理 | 2 | 讲授法 案例法 线上线下混合法 | 课程教学目标1、2 |
合 计 | 64 |
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五、课程考核与成绩评定
1. 成绩组成
成绩组成 | 考核/评价环节 | 分值 | 对应的教学目标 |
平时成绩 | 平时作业 | 30 | 课程教学目标1、2、3 |
结课考试 | 闭卷考试 | 70 | 课程教学目标1、2、3 |
2. 评分标准
（1）平时成绩
平时作业完成情况描述 | 档次（得分） |
书写工整，条理清晰，考虑全面，生物工艺原理描述、设计路线或答题结论合理，对复杂工程问题能准确解决，准确呈现自己的观点，且独立完成。 | A（90-100分） |
书写工整，条理清晰，考虑较全面，生物工艺原理描述、设计路线或答题结论基本合理，对复杂工程问题能较好解决，且独立完成。 | B（80-89分） |
书写质量一般，条理较清晰，考虑较全面，生物工艺原理描述、设计路线或答题结论基本合理，对复杂工程问题仅能简单分析，在参考其它资料的基础上完成。 | C（70-79分） |
书写质量一般，条理不够清晰，考虑欠妥，生物工艺原理描述、设计路线或答题结论勉强合理，对复杂工程问题不能准确把握和解决，在参考其它资料的基础上完成。 | D（60-69分） |
书写潦草，逻辑混乱，考虑欠妥，生物工艺原理描述、设计路线或答题结论有明显错误，对复杂工程问题不能准确把握或直接忽略，不能独立完成。 | E（0-59分） |
注： 1. 作业应及时上交，迟交一周内，成绩在上述标准档次下降低10%；迟交一周至两周内，成绩在上述标准档次下降低30%；迟交两周以上，当次作业记为0分。 2. 作业出现抄袭情况，当次作业记为0分；若两次出现抄袭情况，则平时作业总成绩记为0分。 3. 平时作业总成绩为各次平均作业的平均分。 |
（2）结课考试
参照期末结课考试试题参考答案与评分标准进行，按百分制评分。
六、参考教材和主要参考资料
（一）参考教材
堵国成. 《生物工艺学》. 高等教育出版社. 2021
（二）主要参考资料
1. 俞俊棠、唐孝宣、邬行彦、李友荣、金青萍. 《新编生物工艺学》（上册）. 化学工业出版社. 2011
2. 姚汝华、周世水. 《微生物工程工艺原理》（第三版）. 华南理工大学出版社. 2015
3. 邱树毅. 《生物工艺学》. 化学工业出版社. 2009
4. 贺小贤、张雯. 《生物工艺原理》（第三版）. 化学工业出版社. 2015
5. 胡洪波、彭华松、张雪洪. 《生物工程产品工艺学》. 高等教育出版社. 2006
6. 陈宁. 《氨基酸工艺学》（第二版）. 中国轻工业出版社. 2020
7. 金其荣、张继民. 《有机酸发酵工艺学》. 中国轻工业出版社. 2005
8. 贾新成、陈红歌. 《酶制剂工艺学》. 化学工业出版社. 2008
9. 程康. 《啤酒工艺学》. 中国轻工业出版社. 2013
10. A.里士曼. 《微藻培养指南-生物技术与应用藻类学》. 科学出版社. 2014
11. 杨显万. 《微生物湿法冶金》. 冶金工业出版社. 2003
12. 李宏煦. 《硫化铜矿的生物冶金》. 冶金工业出版社. 2007
13. 崔宗均. 《生物质能源与废弃物资源利用》. 中国农业大学出版社. 2011
14. Bioprocess and Biosystems Engineering, https://www.springer.com/journal/449/, Springer Verlag, Germany
