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生物过程工程  042M4005H

学期:2016-2017学年秋 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:马光辉等
课程编号: 042M4005H 课时: 50 学分: 3.0
课程属性: 专业核心课 主讲教师:马光辉等
英文名称: Bioprocess Engineering

教学目的、要求

本课程为化学工程与技术学科硕士研究生的专业核心课,也可作为生物、化学、环境等相关学科研究生的选修课。生物过程工程是用过程工程原理对使用生物催化剂的过程进行设计、开发和分析,生物过程工程是实现生物材料应用过程产业化的关键学科。通过本课程的学习,学生应掌握生物过程工程的概念和方法。目的是使学生能够将工程方法更好地应用于生物催化与分离等领域,对于今后硕士生从事生物过程相关科研和管理等工作具有引导意义。

预修课程

教 材

教材:麦克尔•舒勒,费克莱特•卡基著,陈涛,赵学明等译,《生物过程工程:基本概念》(原著第二版),化学工业出版社,北京,2008

主要内容

第一章 生物材料过程工程(5学时)
生化反应及生化分离用新型微球介质的制备和应用研究。先容生物微球材料在生化工程的发展中所起到的里程碑作用,并针对现有制备过程难以制备尺寸均一的生化分离介质的关键问题,先容新的制备过程——新型膜乳化技术,一步合成制备出了疏水性、极性、亲水性及温敏性的微米-百微米级合成高分子介质及天然多糖介质。尺寸均一性和可控性提高了在生化反应及生化分离方面的应用效果,进一步促进了现代生化工程的发展。相关生物过程工程产品涉及:粒径均一、稳定乳液、微球、微囊的膜乳化技术和设备;稳定、高效的高流速、高载量层析分离介质;高流速层析介质;微球制备和生物分离纯化领域的高端技术服务。

第二章 生物剂型过程工程(5学时)
药物缓控释制剂及免疫佐剂的研究。针对蛋白质及多肽类药物直接用药时存在的不易吸取、半衰期短、容易被体内酶类降解以及现有制备过程难以制备尺寸均一、可控的微囊等关键问题,发展了新型制备过程——膜乳化技术,制备出了尺寸均一的多种微球、微囊。同时,以微球微囊制剂为基础,开发了多种新型治疗性疫苗佐剂、粘膜免疫佐剂等,解决了铝佐剂不能冻干、不能增强细胞免疫等缺点。已制备的制剂有壳聚糖微球、聚乳酸系列微囊、壳聚糖基智能型水凝胶、温敏型白蛋白纳米球和抗癌药物栓塞剂等。

第三章 生物过程工程——青霉素的故事(3学时)
青霉素液体深层发酵技术的研发是生物过程工程的典范,是微生物学家和化学工程师合作的成功范例,这个过程凝结了无数人的创造和汗水,但是,能够被授予诺贝尔奖金的最多只能是3个人,为什么选择这三个人呢?直到今天,青霉素和半合成青霉素仍然是使用量最大的抗生素,重温青霉素生产技术的研发过程,可以为新产品的开发提供借鉴。

第四章 生物基化学品的合成生物学(3学时)
生物基化学品是指利用可再生的生物质(淀粉、葡萄糖、木质纤维素等)为原料生产的大宗化学品和精细化学品等产品。由于摆脱了对不可再生的化石原料(石油、煤和天然气等)的依赖,生物基化学品被认为是实现可持续发展的重要方向,已引起世界各国的广泛重视。现代生物技术的发展为生物基化学品合成途径的构建和优化提供了强大的工具,促进了生物基化学品的研发。发展了新的基因组编辑方法,实现了微生物基因组的高效、高保真、无痕敲除和敲入,获得了高产菌株;建立了发酵/分离耦合的高效过程,提高了发酵和分离效率。

第五章 生物材料结构与性能控制过程工程(3学时)
生物材料特别是微球形生物材料的结构对其性能控制具有重要影响。分析了不同生物材料的结构调控方法,并探讨了生物材料结构与其性能之间的关系。着重讲述不同孔径微球的制备和孔径控制策略、超大孔微球的新型制备方法及应用、高比表面微球的制备、不同结构微球如血细胞状微球、中空-多孔微球等的制备,及其在不同领域的应用性能研究。

第六章 生化分离介质制备与应用(3学时)
在生物制品的生产过程中,制品的分离纯化是其重要的组成部分,也关系着生物制品产业化的前景。层析分离技术具有分离效率高、选择性好、条件温和等优点,适用于多组分复杂混合物的分离,因此受到越来越广泛的关注。层析技术的核心问题为层析介质,本部分课程系统总结了近年来生化领域中分离介质的合成及应用成果,也兼顾了层析工艺及介质的发展现状和发展趋势,特别讲述了层析介质领域的突出进展。

第七章 青蒿素生物过程工程(3学时)
疟疾,在我国古代称为瘴气。由雌按蚊叮咬人体,将其体内寄生的疟原虫传入人体而引起的各种综合征。人类几场大规模战争加速了抗疟药物研发进程,然而科学家始终难以解决疟原虫对奎宁类药物的耐受问题。上世纪六十年代中国的科研大协作首次发现青蒿提取物的抗疟功效。本部分课程将讲授青蒿素的发现历史、分离纯化与鉴定、合成生物学前沿技术的突破等内容,以及诺贝尔奖“风向标”的拉斯克奖和常识产权之争。

第八章,生物过程过程工程师手中的生物催化剂(3学时)
Murray Moo-Young是怎样理解的生物过程工程?本课将先容生物催化剂范畴,以及生物过程过程工程师如何应用生物催化剂和生物材料来实现生物制造。根据选课学生的专业背景,有针对性地侧重讲授:微生物细胞培养过程、植物细胞培养过程、动物细胞培养过程的异同;原核/真核表达过程与培养基设计、生物基产品分离过程、特殊生物分离材料修饰与改性过程等。

第九章 生物过程单元集成与强化(3学时)
工业生物过程高效转化与系统集成的科学基础研究进展,主要包括以原位分离为基础的化学品生物催化反应过程,强化以生物分离材料为核心技术的吸附分离。通过调控策略﹑最优介质筛选﹑最优耦合设备模式筛选﹑最优介质吸附行为热力学﹑吸附解析工艺条件优化相结合,建立基于在线吸附为基础的反应新过程。在此基础上先容最新纳微反应器的发展、常规反应器的应用,补料与分批过程中搅拌反应器的放大,反应单元集成,分离单元集成,反应与分离集成等。

第十章 生物过程工程经济学(3学时)
工程经济学基本概念,项目立项与经济评估,成本核算,采用App进行成本模拟计算,涉及投资与收益、现金流分析、利润与折旧等。先容“互联网+”全球生物过程经济互联,科研驱动与市场驱动的联系,世界500强中生物化工企业先容、相关上市企业财务年报解读。

第十一章 生物过程工程实验安全(3学时)
生化实验操作无论从小试、中试到工厂都伴随着有毒有害试剂、非温和操作条件等各类危险因素,标准化控制和安全培训是避免安全责任事故的有效方法之一。本课程针对生化实验室试剂分类与存放,实验操作规范,火灾防护,实验室安全事故案例分析,最新《安全生产法》严厉出台,注册安全工程师,保密与泄密,自救与施救等方面进行先容和解读。

第十二章 复习、考试(3学时)
全课程梳理总结,题型讲解与复习,期末考试。

四、教学重点与难点 
理解过程工程的原理与控制方法应用到生物化工领域,采用工程的思想研究生物过程问题,注重基础与应用的广泛联系,特别是前沿科研成果与产业化前景和方法。

五、学时分配与进度计划 
	参照“讲授内容”分配的学时与进度。

参考文献

1、mg游戏平台过程工程研究所著,《过程工程》,科学出版社,北京,2010
2、王佳兴,苏志国,马光辉著,《生化分离介质的制备与应用》,化学工业出版社,北京,2008
3、马光辉,苏志国著,《高分子微球材料》,化学工业出版社,北京,2005
4、俞俊棠等主编,《新编生物工艺学》(上、下册),化学工业出版社,北京,2011

授课时间: 星期三, 第5、6、7节
授课地点: 学3-156
授课周次: 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20

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