《生化反應工程》課程教學大綱

PAGE1-本科生課程大綱課程名稱生化反應工程（BiochemicalReactionEngineering）課程代碼081703101201課程屬性專業(yè)知識課時/學分64/4課程性質(zhì)必修實踐學時0責任教師課外學時64課程屬性：公共基礎/通識教育/學科基礎/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：生化反應工程，是一門以生物學、化學、工程學、計算機與信息技術等多學科為基礎的交叉學科，它以生物反應動力學為基礎，將傳遞過程原理、設備工程學、過程動態(tài)學及最優(yōu)化原理等化學工程學方法與生物反應過程的反應特性方面的知識相結合，進行生物反應過程分析與開發(fā)，以及生物反應器的設計、操作和控制等。生物反應工程主要研究生物反應過程中帶有共性的工程技術問題，其在生物工業(yè)中起著舉足輕重的作用。從學科分類看，生物反應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、生物反應動力學和生物反應器三個部分。酶的制備與修飾改造部分著重介紹酶的發(fā)酵、分離和結構修飾與分子改造的方法。動力學部分著重討論酶促反應過程與微生物反應過程的基本動力學規(guī)律：均相酶反應動力學、細胞反應動力學和固定化生物催化劑反應動力學。生物反應器部分著重介紹了理想的間歇操作反應器、連續(xù)操作反應器（CSTR和CPFR）、半連續(xù)操作反應器、反應器的傳遞特性和生化反應器的設計與放大。2.設計思路：“生化反應工程”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，本課程確立了培養(yǎng)學生自主獲取知識能力的教學理念，以培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、工程思維為目標，逐步建立了一套與現(xiàn)代化教學手段相適應的教學體系和教學方法，形成了以課堂講授與實例分析相結合的教改特色，從而培養(yǎng)學生解決生物技術產(chǎn)業(yè)化中關鍵問題的能力，達到培養(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)濟正在向生物經(jīng)濟發(fā)展”、“生物經(jīng)濟將引領世界經(jīng)濟形態(tài)”、“工業(yè)生物技術正在引領全球制造業(yè)的重大變革”、“中國的生物技術與產(chǎn)業(yè)迎來歷史機遇”等案例和知識引導學生了解以生物催化劑為核心內(nèi)容、以生物反應工程為核心技術的生化反應工程技術（又稱工業(yè)生物技術）是繼醫(yī)藥生物技術、農(nóng)業(yè)生物技術之后，國際生物技術發(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)學生學習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)學生對課程的求知欲望；結合“弗萊明與英國病理學家弗洛里以及生物化學家錢恩共同獲得1945年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎”的故事，教授學生團隊合作與學科交叉的重要性。（2）案例教學，突出應用本課程講授過程最大的愿望就是通過課堂講授，讓大家學會針對生產(chǎn)過程的問題，通過數(shù)學工程思維來分析問題的根源，并依據(jù)具體的數(shù)學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)性教學和創(chuàng)新性教學相結合，將生物產(chǎn)業(yè)最新案例如“鳥苷產(chǎn)品細胞反應過程優(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)存在的實際問題進行講解，并提出當時的產(chǎn)業(yè)化瓶頸，引出“如何通過本章節(jié)要講授的生化反應工程相關知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出解決問題的方案”引起學生關注點突出章節(jié)內(nèi)容的應用性。并且在章節(jié)內(nèi)容學習完之后，讓學生利用講授的知識分組討論，嘗試通過生化反應工程知識解決上述產(chǎn)業(yè)技術難題，實現(xiàn)教學效果的當堂評價。實施結果表明，激發(fā)了學生學習的好奇心，以批判的態(tài)度在學習過程對學習內(nèi)容進行思考和質(zhì)疑，學生學習興趣和對嘗試、失敗等方面的適應能力增強；教學效果評價及時，學習效率顯著提高。（3）團隊合作，因材施教圍繞生化反應工程在生物產(chǎn)業(yè)以及科學研究中的應用，讓學生分組討論理論知識如何在生物產(chǎn)業(yè)和科學研究中實現(xiàn)應用。要求學生必須針對當前生物產(chǎn)業(yè)過程存在的問題，用自己的知識進行分析，并通過撰寫報告、進行PPT報告和討論。該方式不僅可以起到以往強調(diào)的鞏固和深化所學專業(yè)知識的目的，而且提高學生發(fā)現(xiàn)－分析－解決問題的學習方法。同時可以培養(yǎng)學生的團隊合作意識，學會接受不同的觀點，并在碰撞過程形成統(tǒng)一的見解。同時，注意因材施教。在保證全體學生達到教學目標的前提下，針對學有余力、成績突出的學生，結合學生正在進展的OUC-SRDP等科研創(chuàng)新活動，讓學生在科研實踐過程中應用本課程所學的知識。充分利用自身科研項目與本課程的關聯(lián)性，為優(yōu)秀學生提供利用本課程知識獨立進行科學研究的平臺。尤其是為了突出課程的應用性，進一步以自身研究成果為載體，指導優(yōu)秀學生參加“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)業(yè)計劃競賽。通過課堂教學的補充，充分激發(fā)優(yōu)秀學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情，培養(yǎng)學生的工程意識和創(chuàng)新精神，提高了學生的工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力。（4）課后作業(yè)，主動學習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，針對學習過程中不僅涉及微生物和酶、生物化學的知識，還有大量數(shù)學計算的過程，更重要的是還有工程問題解決和應用的問題，因此學生既要從微觀上掌握生物催化劑的反應，又要根據(jù)反應過程學會用數(shù)學工程思維來解釋反應過程，更要將反應和計算的知識應用到解決實際問題的過程。始終對學生強調(diào)“生化反應工程”實際上不是64學時，是64課時；即除了課堂上的64課時，還應有課下自學的64學時。因此，課下給學生布置適量作業(yè)，對于課堂上一些重要的推導過程，有針對性的講授清楚最典型的反應動力學過程和產(chǎn)業(yè)化難題解決過程的意義，簡單教授推導過程；課下由同學們作為作業(yè)自行詳細推導，便于加深理解、鞏固知識，同時培養(yǎng)學生主動學習的良好習慣。3.課程與其他課程的關系：本課程屬于生物工程專業(yè)的一個重要組成部分和化學反應工程的一個分支，是為了生物工程專業(yè)學生在學完《生物化學》和《化工原理》等課程后，為拓展知識面而開設的一門必修專業(yè)課。在掌握生物化學和化工原理基礎知識的基礎上，學習解決生物反應過程中具有普遍意義的特殊工程技術問題和生化反應過程涉及的反應設備問題。二、課程目標本課程的教學目標是要求學生掌握生物反應過程動力學基本規(guī)律，掌握生物反應器的基本理論和設計的基本方法，了解本領域國內(nèi)外的研究進展。建立生化過程的工程學概念與工程意識，能夠通過運用所學的理論知識進行生物反應過程的工程分析與開發(fā)，以及生物反應器的設計、擴大、操作和優(yōu)化控制。學會使用上述工程原理與方法來處理生物技術的工程放大與生產(chǎn)應用問題。三、學習要求在講授“生化反應工程”的過程中，要求學生配合老師根據(jù)生化反應工程教學內(nèi)容設計在教學實施中隨堂評價設計教學目標的達成度。（1）首課摸底，掌握基礎在第一節(jié)課上，以生物產(chǎn)業(yè)中與生化反應工程技術緊密相關的難題作為摸底考試題目（主觀論述題和綜合應用題），考查學生學習本課程之前對生化反應工程的了解情況；學生從一開始就帶著思考和問題來學習本課程。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，通過期末考試學生的答題情況基本可以反饋出本課程教學內(nèi)容的達成度。（2）聽課記錄，聚精會神制作統(tǒng)一的《聽課記錄》，要求學生每節(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，課后學習委員統(tǒng)一復印，復印件學生留在手中用于課下自學，原件交給老師。這一手段的實施，主要是要求全體學生必需認真聽講，提高課堂學習效率；一些討論的答案也可以反映出學生上課討論的參與程度；同時學生在學習過程中始終跟隨老師的進度，并在宏觀上了解本節(jié)課學習的框架結構，便于課下自學，強化了教學過程學生的參與度。（3）問題導入，提高自信針對每節(jié)課學習的知識點，在課前以“問題導入模式”，將于本章節(jié)知識點相關的產(chǎn)業(yè)案例關鍵技術難題拋給學生，要求學生大膽思考，一方面可以評價學生預習的效果，另外一方面讓學生從開始就了解即將學習知識的用武之地。在完成本章節(jié)知識點的講授以后，立即針對課前導入的問題進行測試，達到隨堂評價教學目標達成度的目的，及時掌握學生的學習狀態(tài)，有針對性的開展教學工作。（4）教研相長，合作學習學生根據(jù)本課程的內(nèi)容，檢索文獻，寫一篇2000字左右的綜述。要求綜述的主題圍繞生化反應工程在生物產(chǎn)業(yè)以及科學研究中的應用，針對檢索的文獻，對文獻中的生化反應工程研究進行評價，并結合自身所學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)和科學研究中實現(xiàn)應用。在完成上述論文綜述基礎上，分組對本課程主要內(nèi)容進行總結凝練，突出知識點與實際案例的關聯(lián)性，形成PPT講稿，給同學們講述本章知識點的應用，達到復習鞏固和實踐應用的目的。為量化小組學習的教學目標達成度，制定了詳細的評價標準和細則，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們的團隊合作，且能夠獲得有建設性意見的反機會，評分標準包括內(nèi)容、組織結構、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行點評和評價的機會。這項評估不僅體現(xiàn)了小組作品的結果展示，還包括小組展示的準備過程，評分標準包括參與度、聆聽、反饋、創(chuàng)新和可行性建議的貢獻度等四部分。通過量化評價標準，來考核學生對知識應用和團隊合作的達成度。（5）科學考核，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”、“問題導入模式中的隨堂考試”、“課后作業(yè)及其達成度評價”、“論文綜述”和“分組學習討論”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目標的達成度，指導進一步的教學改革和教學內(nèi)容完善。四、教學進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生化反應工程背景介紹1.2生化反應工程的定義1.3生化反應工程的目的、內(nèi)容和方法1.4生化反應工程的特征1.5生化反應工程的主要發(fā)展趨勢和成果1.6生化反應工程的主要內(nèi)容1.7本章小結2酶的應用42.1酶在醫(yī)藥方面的應用2.2酶在食品方面的應用2.3酶在輕工、化工方面的應用2.4酶在環(huán)境保護方面的應用2.5酶在生物技術方面的應用2.6酶在海洋生物資源開發(fā)方面的應用3微生物發(fā)酵產(chǎn)酶43.1微生物細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細胞反應動力學44.1細胞反應概論4.2細胞反應過程計量學4.3細胞反應動力學4.4底物消耗與產(chǎn)物生成動力學4.5細胞反應動力學參數(shù)估算5酶的提取與分離純化45.1細胞破碎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大分子結合修飾6.3側鏈基團修飾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酶分子修飾的應用7酶定向進化57.1酶定向進化的特點7.2酶基因的隨機突變7.3酶突變基因的定向選擇7.4酶定向進化的應用8酶非水相催化48.1酶非水相催化的主要內(nèi)容8.2有機介質(zhì)中水和有機溶劑對酶催化反應影響8.3沒在有機介質(zhì)中的催化特性8.4有機介質(zhì)中酶催化反應的條件及其控制8.5酶非水相催化的應用9均相酶催化反應動力學59.1酶催化反應概論9.2單底物酶催化反應動力學9.3有抑制劑的酶催化反應動力學9.4復雜的酶催化反應動力學9.5酶反應過程的影響因素9.6酶的失活動力學10固定化生物催化劑及其反應動力學610.1固定化生物催化劑概論10.2酶固定化10.3細胞固定化10.4原生質(zhì)體固定化10.5固定化對反應的影響10.6外擴散限制效應10.7內(nèi)擴散限制效應10.8擴散影響下的表觀動力學10.9固定化微生物細胞發(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理想操作反應器811.1生物反應器概論11.2間歇操作反應器11.3連續(xù)操作反應器（CSTR）11.4連續(xù)操作反應器（CPFR）11.5半連續(xù)操作反應器12反應器的傳遞特性412.1反應器傳遞特性概論12.2氧的傳遞12.3反應器的流動特性12.4反應器的傳熱特性13生化反應器的放大813.1反應器設計與放大概論13.2機械攪拌生物反應器結構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機械攪拌生物反應器的傳熱13.6放大原理與放大準則13.7機械攪拌罐的放大五、參考教材與主要參考書1、選用教材（告知學生需要購買的教材）戚以政、夏杰、王炳武：生物反應工程，化學工業(yè)出版社，2009.8第二版郭勇：酶工程，科學出版社.2016.12、主要參考書國外1975年日本學者合葉修一等《生物化學工程反應動力學》1979年日本學者山根恒夫《生物