安徽大学：《发酵工程》课程教学大纲

《发酵工程》 教学大纲 (撰写人：张书祥) 安徽大学生命科学学院 二0一一年十一月

1 《 发酵工程 》 教 学 大纲 （撰写人：张书祥） 安徽大学生命科学学院 二 0 一一年十一月

前言 《发酵工程》是生物工程主要内容之一，是生命科学学院生物工程专业的必修课 程。《发酵工程》内容包括：发酵工程的发展及研究现状：工业生产菌种的选育、制 备与保藏方法：培养基的设计、制备和优化方法：发酵生产工艺的优化：发酵动力学 研究：发酵生产过程参数的检测方法及必要性：发酵生产染菌控制与管理：发酵设备 的结构与设计：产品的提取和精制技术；发酵工业大生产的生产实例：发酵工业清洁 生产技术等，是集理论与应用性为一体的学科。 设置本课程的目的：通过该课程学习，首先应使学生全面了解发酵工业的特点、 历史、现状及其发展方向，掌握发酵工业生产中的微生物菌株的选育、制备、保藏方 法。牢固掌握发酵生产过程中的工艺控制技术、参数检测手段、下游提炼技术及生产 设备的结构、功能、计算方法、设备流程。掌握利用微生物的特定性状，通过发酵工 程技术生产出有用产品的方法，使学生初步具备优化发酵生产工艺、完善生产设备、 提高生产水平的能力，掌握工业生产中的微生物菌株的选育、制备、保藏方法。 学习本课程的要求是：1、本课程教学应系统介绍微生物发酵工程的原理和方法， 重点讲述发酵动力学分析，发酵工艺的优化，生物技术对工业微生物菌种的改良方法。 2、教学中注意反映当今发酵工业生产的最新工艺、设备，最新研究成果和进展。 3、教学手段采用幻灯片、计算机软件辅助教学。充分调动学生学习的主动性、积极 性，提高教学质量。4、注重理论与实际相结合进行讲述，强化发酵工程实验课的教 学并安排到有关工厂实地参观实习，提高学生解决实际问题的能力。 先修课程要求：微生物学、生物化学、生物化工原理等 本课程计划54学时，3学分， 选用教材：自编 教学手段：多媒体教学 考核方法：闭卷考试，写综述，写实习报告等方式进行考核。 教学进程安排表 周次学时数 教学主要内容 教学方法备注 13 发酵工程课程介绍及序论 讲述 发酵生产菌种的来源、选育；发酵代谢的途讲述 径、调节 3 3 培养基的制备、设计、优化方法 讲述

2 前 言 《发酵工程》是生物工程主要内容之一，是生命科学学院生物工程专业的必修课 程。《发酵工程》内容包括：发酵工程的发展及研究现状；工业生产菌种的选育、制 备与保藏方法；培养基的设计、制备和优化方法；发酵生产工艺的优化；发酵动力学 研究；发酵生产过程参数的检测方法及必要性；发酵生产染菌控制与管理；发酵设备 的结构与设计；产品的提取和精制技术；发酵工业大生产的生产实例；发酵工业清洁 生产技术等，是集理论与应用性为一体的学科。 设置本课程的目的：通过该课程学习，首先应使学生全面了解发酵工业的特点、 历史、现状及其发展方向，掌握发酵工业生产中的微生物菌株的选育、制备、保藏方 法。牢固掌握发酵生产过程中的工艺控制技术、参数检测手段、下游提炼技术及生产 设备的结构、功能、计算方法、设备流程。掌握利用微生物的特定性状，通过发酵工 程技术生产出有用产品的方法，使学生初步具备优化发酵生产工艺、完善生产设备、 提高生产水平的能力，掌握工业生产中的微生物菌株的选育、制备、保藏方法。 学习本课程的要求是：1、本课程教学应系统介绍微生物发酵工程的原理和方法， 重点讲述发酵动力学分析，发酵工艺的优化，生物技术对工业微生物菌种的改良方法。 2、教学中注意反映当今发酵工业生产的最新工艺、设备，最新研究成果和进展。 3、教学手段采用幻灯片、计算机软件辅助教学。充分调动学生学习的主动性、积极 性，提高教学质量。4、注重理论与实际相结合进行讲述，强化发酵工程实验课的教 学并安排到有关工厂实地参观实习，提高学生解决实际问题的能力。 先修课程要求：微生物学、生物化学、生物化工原理等 本课程计划 54 学时，3 学分， 选用教材：自编 教学手段：多媒体教学 考核方法：闭卷考试，写综述，写实习报告等方式进行考核。 教学进程安排表： 周次 学时数 教 学 主 要 内 容 教学方法 备注 1 3 发酵工程课程介绍及序论 讲述 2 3 发酵生产菌种的来源、选育；发酵代谢的途 径、调节 讲述 3 3 培养基的制备、设计、优化方法 讲述

培养基的灭菌、设备灭菌、空气除菌 讲述 发酵生产种子的制备（菌种室、工业生产）讲述 发酵动力学 讲述 7 3 发酵动力学、发酵生产设备介绍 讲述 3 发酵生产设备介绍。发酵工艺控制：第一节 讲述 温度对发酵的彩响及其调控 3 发酵代谢控制：第二、三节氧、pH对发酵 讲述 的影响及其控制 发酵代谢控制：第三、四节泡沫、C02对发讲述 酵的影响及其控制 11 3 发酵过程各项参数、中间体的检测及意义 讲述 发酵过程的染菌防治 讲述 13 3 发酵工程下游技术 讲述 14 3 发酵生产实例：燃料乙醇、啤酒的工业生产讲述 153 发酵生产实例：抗生素的工业生产 讲述 163 发酵生产实例：有机酸的工业生产 讲述 17 3 发酵生产实例：固体发酵产品介绍，清洁生讲述 产技术等 18 3 复习、讨论、辅导等 讨论 第一章绪论 一、学习目的 通过本章的学习，了解本课程的教学安排。了解发酵工程的有关背景知识，目前 国内外发酵工业的现状及发展方向，了解现代发酵工业所涉及到的广泛领域。本 章计划3学时 二、课程内容 一、本学期授课内容介绍。 二、本章讲授内容 第一节发酵工程的基本概念 什么是发酵、发酵工程、生物工程，发酵工程和生物工程的关系，与酶工程、化 学工程异同。 第二节发酵工程的内容与发展简史 3

3 4 3 培养基的灭菌、设备灭菌、空气除菌 讲述 5 3 发酵生产种子的制备（菌种室、工业生产） 讲述 6 3 发酵动力学 讲述 7 3 发酵动力学、发酵生产设备介绍 讲述 8 3 发酵生产设备介绍。发酵工艺控制：第一节 温度对发酵的影响及其调控 讲述 9 3 发酵代谢控制：第二、三节 氧、pH 对发酵 的影响及其控制 讲述 10 3 发酵代谢控制：第三、四节 泡沫、CO2 对发 酵的影响及其控制 讲述 11 3 发酵过程各项参数、中间体的检测及意义 讲述 12 3 发酵过程的染菌防治 讲述 13 3 发酵工程下游技术 讲述 14 3 发酵生产实例：燃料乙醇、啤酒的工业生产 讲述 15 3 发酵生产实例：抗生素的工业生产 讲述 16 3 发酵生产实例：有机酸的工业生产 讲述 17 3 发酵生产实例：固体发酵产品介绍，清洁生 产技术等 讲述 18 3 复习、讨论、辅导等 讨论 第一章 绪论 一、学习目的 通过本章的学习，了解本课程的教学安排。了解发酵工程的有关背景知识，目前 国内外发酵工业的现状及发展方向，了解现代发酵工业所涉及到的广泛领域。本 章计划 3 学时。 二、课程内容 一、本学期授课内容介绍。 二、本章讲授内容 第一节 发酵工程的基本概念 什么是发酵、发酵工程、生物工程，发酵工程和生物工程的关系，与酶工程、化 学工程异同。 第二节 发酵工程的内容与发展简史

内容：菌体发酵、酶发酵、代谢产物发酵、转化发酵。 发展简史：从天然发酵阶段到基因工程菌发酵阶段 第三节发酵工程的应用 发酵工程在轻工业、医药卫生、化工能源、农业、环境保护、治金行业的应用。 第四节发酵工程的发展方向 三、重点提示 了解目前国内外发酵工业的现状、发展方向，所面临的挑战。 四、思考与练习 1、发酵工业所面临的机遇和挑战如何？ 第二章生产菌种的来源、选育和保藏 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产中菌种的来源、特点，获得高产生产菌种的方法， 生产菌种的选有技术，微生物菌种的保藏方法。本章计划3学时。 二、课程内容 第一节工业上常用微生物的来源 介绍生产菌株的来源、筛选、分离 第二节优良菌种的选育 介绍自然选育、诱变选育、杂交育种、原生质体融合技术、基因工程技术 第三节菌种保藏的原理和方法 讲述斜面、穿刺保藏法，沙土管、真空冷冻干燥、液氨、低温、悬液保藏法。 三、重点提示 掌握获得有用微生物的方法、选育技术。 四、思考与练习 1、从自然界筛选优良菌种应注意那些问题？ 2、如何防止菌种衰退？ 4

4 内容：菌体发酵、酶发酵、代谢产物发酵、转化发酵。 发展简史：从天然发酵阶段到基因工程菌发酵阶段。 第三节 发酵工程的应用 发酵工程在轻工业、医药卫生、化工能源、农业、环境保护、冶金行业的应用。 第四节 发酵工程的发展方向 三、重点提示 了解目前国内外发酵工业的现状、发展方向，所面临的挑战。 四、思考与练习 1、发酵工业所面临的机遇和挑战如何？ 第二章 生产菌种的来源、选育和保藏 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产中菌种的来源、特点，获得高产生产菌种的方法， 生产菌种的选育技术，微生物菌种的保藏方法。本章计划 3 学时。 二、课程内容 第一节 工业上常用微生物的来源 介绍生产菌株的来源、筛选、分离 第二节 优良菌种的选育 介绍自然选育、诱变选育、杂交育种、原生质体融合技术、基因工程技术 第三节 菌种保藏的原理和方法 讲述斜面、穿刺保藏法，沙土管、真空冷冻干燥、液氮、低温、悬液保藏法。 三、重点提示 掌握获得有用微生物的方法、选育技术。 四、思考与练习 1、从自然界筛选优良菌种应注意那些问题？ 2、如何防止菌种衰退?

第三章发酵生产培养基的类型、组成设计和优化方法 一、学习目的 通过本章的学习，学握发酵生产中孢子、种子、发酵培养基的组成、设计方 法，掌握发酵工程的一般过程。本章计划3学时 二、课程内容 第一节发酵生产培养基的类型、成分及配制方法 介绍生产过程中孢子、种子、发酵培养基及基因工程菌培养基的类型、组成。 第二节培养基设计方法 1、培养基成分选择的原则 2、培养基的配制、优化方法 第三节、重组产品培养基的介绍 三、重点提示 掌握发酵生产中培养基制备方法，发酵生产培养基的设计原则。 四、思考与练习 1、发酵培养基的主要成分有那几类？在微生物发酵过程中，这些营养成分分别 起什么作用？ 2、阐述培养基设计的一般步骤？ 第四章培养基的灭菌、灭菌设备、空气除菌 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵大生产中大批量培养基的灭菌设备和灭菌方法，掌握空 气除菌的原理、方法。本章计划3一5学时。 二、课程内容 第一节湿热灭菌的原理、方法和设备。 1、湿热灭菌的原理 5

5 第三章 发酵生产培养基的类型、组成设计和优化方法 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产中孢子、种子、发酵培养基的组成、设计方 法，掌握发酵工程的一般过程。本章计划 3 学时 二、课程内容 第一节 发酵生产培养基的类型、成分及配制方法 介绍生产过程中孢子、种子、发酵培养基及基因工程菌培养基的类型、组成。 第二节 培养基设计方法 1、培养基成分选择的原则 2、培养基的配制、优化方法 第三节、重组产品培养基的介绍 三、重点提示 掌握发酵生产中培养基制备方法，发酵生产培养基的设计原则。 四、思考与练习 1、发酵培养基的主要成分有那几类？在微生物发酵过程中，这些营养成分分别 起什么作用？ 2、阐述培养基设计的一般步骤？ 第四章 培养基的灭菌、灭菌设备、空气除菌 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵大生产中大批量培养基的灭菌设备和灭菌方法，掌握空 气除菌的原理、方法。本章计划 3～5 学时。 二、课程内容 第一节 湿热灭菌的原理、方法和设备。 1、湿热灭菌的原理

2、湿热灭菌的方法：实罐灭菌（实消），连续灭菌（连消），连续灭菌的流程图 3、培养基灭菌的设备和计算 介绍：连消塔、维持罐的结构 第二节空气除菌的方法和设备 1、空气除菌的原理 2、空气除菌的方法 3、空气除菌的设备流程图 4、介质及介质过滤效率 5、空气除菌的设备：介绍空气预处理设备、列管冷却器，气、液分离器，总、 分空气过滤器的结构及计算方法。 三、重点提示 发酵大生产中培养基灭菌方法，空气除菌的原理、方法。 四、思考与练习 1、比较实罐灭菌（实消），连续灭菌（连消）的特点 2、为什么制备无菌空气过程中要定时排油水？ 第五章种子的制备 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产中种子扩大培养的目的、工艺流程。掌握优良种子的 标准及制备方法。本章计划3学时。 二、课程内容 第一节概述 1、种子的扩大培养的目的 2、优良种子必须具备的基本条件 3、种子制备的工艺流程 4、种子扩大培养的方法 第二节生产种子的制备

6 2、湿热灭菌的方法：实罐灭菌（实消），连续灭菌（连消），连续灭菌的流程图。 3、培养基灭菌的设备和计算 介绍：连消塔、维持罐的结构 第二节 空气除菌的方法和设备 1、空气除菌的原理 2、空气除菌的方法 3、空气除菌的设备流程图 4、介质及介质过滤效率 5、空气除菌的设备：介绍空气预处理设备、列管冷却器，气、液分离器，总、 分空气过滤器的结构及计算方法。 三、重点提示 发酵大生产中培养基灭菌方法，空气除菌的原理、方法。 四、思考与练习 1、比较实罐灭菌（实消），连续灭菌（连消）的特点 2、为什么制备无菌空气过程中要定时排油水？ 第五章 种子的制备 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产中种子扩大培养的目的、工艺流程。掌握优良种子的 标准及制备方法。本章计划 3 学时。 二、课程内容 第一节 概述 1、种子的扩大培养的目的 2、优良种子必须具备的基本条件 3、种子制备的工艺流程 4、种子扩大培养的方法 第二节 生产种子的制备

1、菌种室种子的制备 2、生产车间种子的制备 第三节种子质量的控制 1、影响孢子质量的因素 2、孢子质量的控制措施 3、影响种子质量的主要因素及控制 4、种子异常的分析 第四节发酵生产的无菌接种：从菌种室种子到一级种子罐，从一级种子罐到二级种 子罐，从二级种子罐到发酵大罐 第五节种子制备过程举例：生产实例。 三、重点提示 优良种子必须具备的基本条件及制备方法 四、思考与练习 1、种子扩大培养的目的与要求？2、种子扩大培养的一般步骤？ 第六章发酵动力学 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵动力学的有关基本概念，了解数学模型的建立方法，掌握 优化分批发酵生产工艺的步骤、方法、目的、意义。了解连续培养动力学研究的方法。 本章计划3学时 二、课程内容 第一节发酵动力学研究的内容、目的、步骤和方法 第二节发酵动力学的分类 以细胞生长与产物的形成是否相关分：偶联型、非偶联型、混合型 以产物形成与基质消耗是否相关分：I、Ⅱ、Ⅲ型 第三节分批培养动力学 1、微生物的细胞生长动力学

7 1、菌种室种子的制备 2、生产车间种子的制备 第三节 种子质量的控制 1、影响孢子质量的因素 2、孢子质量的控制措施 3、影响种子质量的主要因素及控制 4、种子异常的分析 第四节 发酵生产的无菌接种：从菌种室种子到一级种子罐，从一级种子罐到二级种 子罐，从二级种子罐到发酵大罐 第五节 种子制备过程举例：生产实例。 三、重点提示 优良种子必须具备的基本条件及制备方法 四、思考与练习 1、种子扩大培养的目的与要求？ 2、种子扩大培养的一般步骤？ 第六章 发酵动力学 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵动力学的有关基本概念，了解数学模型的建立方法，掌握 优化分批发酵生产工艺的步骤、方法、目的、意义。了解连续培养动力学研究的方法。 本章计划 3 学时 二、课程内容 第一节 发酵动力学研究的内容、目的、步骤和方法 第二节 发酵动力学的分类 以细胞生长与产物的形成是否相关分：偶联型、非偶联型、混合型 以产物形成与基质消耗是否相关分：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型 第三节 分批培养动力学 1、微生物的细胞生长动力学

2、分批培养中基质消耗动力学 3、代谢产物的生成动力学 4、发酵动力学参数的确定 第四节连续培养动力学 单罐及多罐连续培养动力学的理论、数学模型、动力学参数的确定 第五节发酵过程模拟与计算机在线优化控制 第六节基因重组菌发酵动力学 根据基因重组菌的特点介绍其分批发酵动力学的有关内容 三、重点提示 了解发酵过程数学模型的建立方法及优化分批发酵生产工艺的步骤、方法。 四、思考与练习 1、进行发酵动力学的研究有何意义？ 2、如何建立数学模型？ 第七章发酵设备 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产设备的结构、功能。了解发酵生产设备的设计和计 算方法，特别是通用式发酵罐及基因工程菌培养设备。本章计划3学时 二、课程内容 第一节好氧发酵罐 1、通用式发酵罐：介绍发酵罐的基本条件，通用式发酵罐的几何尺寸，发酵铺 的结构。 2、气升式发酵罐的结构和特点 3、自吸式发酵罐的结构和特点 4、高位塔式发酵罐的结构和特点 第二节厌氧发酵罐 1、酒精、啤酒发酵罐的结构

8 2、分批培养中基质消耗动力学 3、代谢产物的生成动力学 4、发酵动力学参数的确定 第四节 连续培养动力学 单罐及多罐连续培养动力学的理论、数学模型、动力学参数的确定 第五节 发酵过程模拟与计算机在线优化控制 第六节 基因重组菌发酵动力学 根据基因重组菌的特点介绍其分批发酵动力学的有关内容 三、重点提示 了解发酵过程数学模型的建立方法及优化分批发酵生产工艺的步骤、方法。 四、思考与练习 1、进行发酵动力学的研究有何意义？ 2、如何建立数学模型？ 第七章 发酵设备 一、学习目的 通过本章的学习，掌握发酵生产设备的结构、功能。了解发酵生产设备的设计和计 算方法，特别是通用式发酵罐及基因工程菌培养设备。本章计划 3 学时 二、课程内容 第一节 好氧发酵罐 1、通用式发酵罐：介绍发酵罐的基本条件，通用式发酵罐的几何尺寸，发酵罐 的结构。 2、气升式发酵罐的结构和特点 3、自吸式发酵罐的结构和特点 4、高位塔式发酵罐的结构和特点 第二节 厌氧发酵罐 1、酒精、啤酒发酵罐的结构

三、重点提示 通用式发酵罐的结构、功能，设计和计算方法。 四、思考与练习 1、通用式的发酵罐与酒精的发酵罐结构上有何异同？ 第八章发酵过程的工艺控制 一、学习目的 发酵过程中，影响发酵产量的因素有很多，通过对各项影响因素的控制趋利避 害，达到改善发酵工艺，提高发酵水平的目的。本章是该课程的核心内容，计划9 学时。 二、课程内容 第一节温度对发酵的影响及其调节控制： 温度对发酵的影响，影响发酵温度的因素，最适温度的选择与发酵温度的控制。 第二节pH值对发酵的影响及控制。 介绍州对发酵的影响，影响发酵pH的因素，最适pH的选择和调节。 第三节氧对发酵的影响及监控。介绍氧的传递和传质，影响供氧的因素。 第四节C02浓度对发酵的影响及控制 C02浓度对细胞结构的影响，C0浓度对发酵液性质的影响，C02浓度的控制。 第五节泡沫对发酵的影响及控制：介绍泡沫产生的原因，泡沫对发酵的危害， 泡沫的消除和防止。 第六节计算机在发酵过程中的应用。 三、重点提示 发酵过程中参数对发酵的影响、发酵工艺的控制方法。 四、思考与练习 1、为什么好氧微生物发酵过程的氧是限制性因素？ 2、为什么发酵过程要分阶段控制温度？

9 三、重点提示 通用式发酵罐的结构、功能，设计和计算方法。 四、思考与练习 1、通用式的发酵罐与酒精的发酵罐结构上有何异同？ 第八章 发酵过程的工艺控制 一、学习目的 发酵过程中，影响发酵产量的因素有很多，通过对各项影响因素的控制趋利避 害，达到改善发酵工艺，提高发酵水平的目的。本章是该课程的核心内容，计划 9 学时。 二、课程内容 第一节 温度对发酵的影响及其调节控制： 温度对发酵的影响，影响发酵温度的因素，最适温度的选择与发酵温度的控制。 第二节 pH 值对发酵的影响及控制。 介绍 pH 对发酵的影响，影响发酵 pH 的因素，最适 pH 的选择和调节。 第三节 氧对发酵的影响及监控。介绍氧的传递和传质，影响供氧的因素。 第四节 CO2浓度对发酵的影响及控制 CO2浓度对细胞结构的影响，CO2浓度对发酵液性质的影响，CO2浓度的控制。 第五节 泡沫对发酵的影响及控制：介绍泡沫产生的原因，泡沫对发酵的危害， 泡沫的消除和防止。 第六节 计算机在发酵过程中的应用。 三、重点提示 发酵过程中参数对发酵的影响、发酵工艺的控制方法。 四、思考与练习 1、为什么好氧微生物发酵过程的氧是限制性因素？ 2、为什么发酵过程要分阶段控制温度？

第九章发酵过程的参数检测及中间体测定 一、学习目的 通过本章的学习，了解发酵过程中各类参数的特点，掌握发酵过程中参数的检测方法。 掌握发酵过程中中间体的测定方法，了解发酵工艺参数、中间体成分对发酵生产的影 响。本章计划3学时。 二、课程内容 第一节发酵工艺参数及其检测 1、物理参数的检测：介绍温度测量、热量测量、搅拌转速与搅拌功率的测量、 空气流量测定及罐压测定的方法、仪器设备。 2、化学参数的检测：溶解氧的测量、pH的测量、溶解C0,的测量、菌浓度的测 量方法 3、间接参数的检测：数据的处理，间接数据的获得。 第二节发酵中间体的测定 1、发酵过程主要分析的项目 2、产物量的测定 三、重点提示 发酵工艺参数、中间体测定的原理和方法 四、思考与练习 1、发酵过程的参数检测有什么意义？生产中主要检测到参数有哪些？ 2、准确判断发酵终点有什么好处？依据哪些参数来判断？

10 第九章 发酵过程的参数检测及中间体测定 一、学习目的 通过本章的学习，了解发酵过程中各类参数的特点，掌握发酵过程中参数的检测方法。 掌握发酵过程中中间体的测定方法，了解发酵工艺参数、中间体成分对发酵生产的影 响。本章计划 3 学时。 二、课程内容 第一节 发酵工艺参数及其检测 1、物理参数的检测：介绍温度测量、热量测量、搅拌转速与搅拌功率的测量、 空气流量测定及罐压测定的方法、仪器设备。 2、化学参数的检测：溶解氧的测量、pH 的测量、溶解 CO2 的测量、菌浓度的测 量方法 3、间接参数的检测：数据的处理，间接数据的获得。 第二节 发酵中间体的测定 1、发酵过程主要分析的项目 2、产物量的测定 三、重点提示 发酵工艺参数、中间体测定的原理和方法 四、思考与练习 1、发酵过程的参数检测有什么意义？生产中主要检测到参数有哪些？ 2、准确判断发酵终点有什么好处？依据哪些参数来判断？