生物技术发酵工程(6篇)
生物技术发酵工程篇1
关键词：食品发酵生物技术
生物技术运用于现代食品生产领域，尤其对食品中的发酵过程起到一定的促进推动作用。从生物技术的应用特征来分析，能够利用生物机体、生物系统创造新的品种，有效改善物种的内部结构。正是基于上述认识，很多的食品生产领域越来越重视其在食品发酵过程中不可替代作用。特别在酿造发酵类的食品生产中约占到两成，有效运用现代生产技术，更能够推动食品安全生产。
1、细胞工程技术运用发酵，增加有益菌类
细胞工程技术运用就是在利用细胞分裂重组的作用机理，以改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。主要通过对细胞在外力作用的诱导中来生成新的组织，对发酵进行反应。较为常见的是细胞融合技术，其目的是改良微生物发酵菌种，形成新的微生物种群。
在细胞的合成过程中，能够更好形成微生物菌体，产生多样性。细胞融合技术是一种的有效方法,主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。像日本味之素公司通过细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交，获得比原产量高出3倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交，分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。从目前使用的发展水平来看，微生物细胞融合的对象已扩展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间以至属间，不断培育出用于各种领域的新菌种。新的菌种用于食品的发酵，除了产生有益的微生物细菌外，还能够更好促进发酵过程的优化。
2、基因工程技术运用发酵，改良酵母性能
在食品生产发酵过程中，基因工程技术的运用，能够在通过基因转变和分离组合的条件下，对所需要的基因体进行无性繁殖，并使目的基因在受体细胞中高速表达，产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型。该技术的运用能够提高酵母的性能。
在运用的过程中，主要有如下的作用：（1）改良面类食品的酵母菌的性能，将优良酶基因转入面包酵母菌中后，其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母显著提高，面包加工中产生二氧化碳气体量提高，应用改良后的酵母菌种可生产出膨润松软的面包。（2）激活酿酒中的酵母，该技术能够将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后，即可直接利用淀粉发酵，使生产流程缩短，工序简化，革新啤酒生产工艺。从运用的实例来看，已成功地选育出分解β-葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、嗜杀啤酒酵母菌株，提高生香物质含量的啤酒酵母菌株。（3）改良乳酸菌发酵剂的性能，乳酸菌基因表达系统分为组成型表达和受控表达两种类型，其中受控表达系统包括糖诱导系统、Nisin诱导系统、pH诱导系统和噬菌体衍生系统。相对于乳酸乳球菌和嗜热链球菌而言，德氏乳杆菌的基因研究比较缺乏，但是已经发现质粒pN42和PJBL2用于构建德氏乳杆菌的克隆载体。可通过运用独立复制的转座子和同源部位的重组整合来获取想要的乳酸菌发酵剂。这样的发酵剂，不仅能够使得产生突变的效果，还能够形成较强的稳定性能。
3、酶工程技术运用发酵，催化发酵过程
酶对于食品细胞的激活有着不可替代的重要作用，队生物的催化起到促进推动作用。其主要原理在于在一定的生物反应器内,利用生物酶作为催化剂,使某些物质定向转化的工艺技术，包括酶的研制与生产，酶和细胞或细胞器的固定化技术,酶分子的修饰改造，以及生物传感器等。
在食品的发酵处理过程中，一方面，用酶技术处理发酵原料,有利于发酵过程的进行。如，啤酒酿制过程，主要原料麦芽的质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时，会造成淀粉酶、葡聚糖酶、纤维素酶的活力不足，使糖化不充分、蛋白质降解不足,从而减慢发酵速度，影响啤酒的风味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、等制剂，可补充麦芽中酶活力不足的缺陷，提高麦汁的可发酵度和麦汁糖化的组分,缩短糖化时间，减少麦皮中色素、单宁等不良杂质在糖化过程中浸出，从而降低麦汁色泽。另一方面，用酶来处理发酵菌种的代谢产物，缩短发酵过程,促进发酵风味的形成。啤酒中的双乙酰是影响啤酒风味的主要因素,是判断啤酒成熟的主要指标。当啤酒中双乙酰的浓度超过阈值时，就会产生一种馊酸味，影响食品的食用欲望。双乙酰是由酵母繁殖时生成的α-乙酰乳酸和α-乙酰羟基丁酸氧化脱羧而成的，一般在啤酒发酵后期还原双乙酰需要10天左右时间。现代一些生产企业发现，发酵罐中加入α-乙酰乳酸脱羧酶能催化α-乙酰乳酸直接形成羧基丁酮，可缩短发酵周期，减少双乙酰含量。在使用的过程中，应该注意把握发酵的时机，应该按照规定标准进行严格使用。
正如上所述，在食品发酵生产中应用生物技术可以提高发酵剂的性能，对食品的生产周期、改善性能等都具有积极促进作用。随着这些新技术的不断成熟和广泛运用，更能够减少生产成本，为广大生产企业提高经济效率。
参考文献：
[1]王岩.浅论现代生物技术在发酵食品生产中的应用[J].中国西部科技，2011年23期。
[2]王春荣王兴国等.现代生物技术与食品工业[J].山东食品科技，2004年07期。
[3]肖付才.现代生物技术在食品领域中的应用[J].魅力中国，2010年09期。
生物技术发酵工程篇2
[关键词]发酵工程；食品工业；应用
[中图分类号]TS210[文献标识码]A[文章编号]1005-6432（2013）34-0062-02
1发酵工程在食品工业中的发展
自20世纪70年代以来，不仅以细胞工程、酶工程和发酵工程为核心内容的现代生物技术，广泛应用于食品生产与开发，而且现代生物技术也成为了解决食品工业生产所带来的环保和健康等问题的有效途径。作为一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术，发酵工程是生物工程技术的重要组成部分。它包括培育优良菌种、发酵生产某些代谢产物、生产微生物菌体、改造某些天然物质等。现酵工程对食品工业的影响主要表现在利用现酵技术改造传统发酵食品以及加速开发高附加值的现酵产品。它的足迹涉及新食品配料、饮料稳定剂、D-氨基酸及其衍生物制造等诸多食品工业领域。
2发酵工程在食品工业中的应用
2.1传统的食品加工工艺的改造
在现酵技术改造传统发酵食品中，最典型的是使用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺。例如在国外的啤酒生产中，大多数采用了固定化酵母的连续发酵工艺，它可将啤酒的发酵时间缩短至1d，甚至更低的90rain。在我国的传统酿造制品黄酒、酱类、豆腐乳等，均利用优选的菌种发酵，不仅提高了原料的利用率，缩短了发酵周期，而且改良了风味品质。与此同时，利用发酵工程生产天然色素、天然新型香味剂等食品添加剂，并逐步取代人工合成的色素和香精，这也是当前食品添加剂研究和前进的方向。
2.2单细胞蛋白的生产
单细胞蛋白（SoleCellProtein，SCP）主要指酵母、细菌、真菌等微生物蛋白质资源。人们已公认SCP是最具应用前景的蛋白质新资源之一，是因为微生物菌体的蛋白质含量高，同时还含有多种维生素。这对于解决世界蛋白质资源不足问题方面将发挥重要作用。同时也有一些是采用细菌、丝状真菌和放线菌等菌种。现在许多国家都在积极进行球藻及螺旋藻SCP的开发，走在前列的是美国、日本、墨西哥等国，他们所生产的螺旋藻食品既是高级营养品，又是减肥品，在国际市场上很受欢迎。我国螺旋藻的开发研究始于20世纪70年代，到目前为止，已建立了大规模的养殖生产基地。
2.3功能性食品的开发
功能性食品是指在特定食品中含有某些有效成分，它们具有对人体生理作用产生功能性影响及调节之功效，以实现“医食同源”的目的。不仅能够调节膳食结构，而且能够益寿延年。因此，这类功能性食品在保健食品产业中形成了一个新的主流。
2.3.1大型真菌的开发
功能性食品的有效成分主要来自名贵中药材如灵芝、冬虫夏草、茯苓、香菇、蜜环菌等药用真菌，原因在于这些真核微生物含调节机体免疫机能、抗癌或抗肿瘤、防衰老的有效成分。功能性食品的主要原料来源一方面是直接取自天然源的药用真菌，用于功能性食品的开发；另一方面是通过发酵途径实行工业化生产，从而大量索取。在应用中，人工发酵培养虫草菌已在中国医学科学院药物研究所实现，成果卓著。在分析产品的化学成分和药理等方面发现，它与天然冬虫夏草类同，临床上应用对高脂血症、障碍、慢性支气管炎等均有疗效，而治疗障碍优于天然冬虫夏草。
2.3.2γ-亚麻酸的制备
γ-亚麻酸是人体必需的一种不饱和脂肪酸，对人体许多组织特别是脑组织的生长发育至关重要。γ-亚麻酸具有明显的降血压、降低血清甘油三酯和胆固醇水平的功效。目前以月见草为其主要来源，但是月见草有明显的缺陷，如种子的产量和含油量很不稳定、受气候和产地等条件影响较大、生产周期较长、精炼成本高等。所以开始利用经筛选高含油的鲁氏毛霉、少根根霉等蓄积油脂较高的菌株为发酵剂，以豆粕、玉米粉、麸皮等作培养基，经液体深层发酵法制备γ-亚麻酸。采用的发酵温度为30℃，时间为2d，干燥菌体中油脂含量25%～35%，其中γ-亚麻酸含量为12%～15%，它与植物源相比具有产量稳定、周期短、成本低、工艺简单等优越性，便于大规模使用。
2.3.3微生态制剂的制备
许多微生物菌体本身可作为保健食品的功能性配料或添加剂，例如乳酸菌（乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、双歧杆菌属和片球菌属等）和醋酸菌等，其中双歧杆菌作为微生态调节剂在保健食品中的应用最为广泛，主要的生理功能：第一，抑制和杀死肠道病原菌，从而改善肠道的微生态环境；第二，阻断肠道内致癌物质的生成，产生具有抗肿瘤特性的胞外多糖，同时分泌双歧杆菌素和类溶菌物质，提高巨噬细胞的吞噬能力，增强机体免疫力和抗病能力，在肠道内自然合成多种维生素。双歧型微态制剂一般多用于婴儿双歧杆菌，制备工艺一般采用将双歧杆菌纯培养物进行反复接种培养以恢复其活力，并将活化后的菌种接种到以脱脂乳为主的菌种继代培养基中，依次进行三角瓶和种子罐培养，利用冷冻干燥机进行冷冻干燥即制成双歧杆菌微生态制剂。
2.3.4有机形式的微量元素的制备
人体必需的微量元素包括硒、铬、锗、碘、锌、铁等，其中硒、锗、铬3种元素与目前严重危害人类健康的肿瘤、心血管疾病和糖尿病等关系较大，因此也成为保健食品研究的热点之一。由于无机形式的硒、锗、铬活性很低，同时具有不同程度的毒性，所以其应用于保健品首先要通过生物方法将无机形式的这些元素转化成有机形式微量元素。转化方法主要有植物转化法（富硒苹果、富硒水稻、富硒茶叶等）、植物种子发芽转化法（如富硒麦芽或富硒豆芽等）和微生物转化法（如富硒酵母或富硒食用菌等）等。经研究发现，酵母细胞对硒具有富集作用（吸收率约75%）。利用这一特点，可以在特定培养环境下及不同阶段在培养基中加入硒，使它被酵母吸收利用而转化为酵母细胞内的有机硒，然后由酵母自溶制得产品。富硒酵母95%以上的硒是以有机硒形式存在的，其抗衰老及抑制肿瘤功能较亚硒酸钠显著，而其毒性却大大低于亚硒酸钠。
2.3.5超氧化物歧化酶（SOD）的制备
SOD广泛存在于动植物和微生物细胞中，目前国内SOD的生化制品主要是从动物血液的红细胞中提取的。SOD不仅能清除人体内过多的氧自由基，起到延缓衰老，提高人体免疫能力并增强对各种疾病的抵抗力的作用，而且作为一种临床药物，在治疗由于自由基的损害而引发的多种疾病时效果显著，可与放化疗结合治疗癌症、治疗骨髓损伤、炎症及消除肌肉疲劳等。并且临床应用证明SOD作为人体组织细胞的正常成分是安全的、有效的，可以广泛应用于化妆品、牙膏和保健食品中。
2.3.6L-肉碱的制备
L-肉碱（Candtme）的化学名称是L-3-羟基4-三甲铵丁酸，普遍存在于机体组织内，是我国新批准的营养强化剂。因为它能促进脂肪酸的运输和氧化，所以可以应用在运动员食品中，以提高其耗氧量和氧化代谢能力，从而增强机体耐受力；同时可用在特殊群体中如婴幼儿食品、老年食品和减肥健美食品中。现如今发酵法和酶法已经取代了传统的化学生产法，利用根霉、毛霉、青霉进行固态发酵，在可溶性淀粉、硝酸钠、磷酸二氢钾和小麦麸皮组成的固体培养基中，25℃培养4d-7d，L-肉碱的产量为12%～48%，优于过去。
2.4微生物油脂的生产
人们日常食用的油脂大部分是由芝麻、花生、油菜子、大豆等油料作物榨取的植物油脂，还有一部分是由猪、牛及羊等动物熬制的动物油脂，很少考虑到微生物油脂。其实，在许多微生物中都含有油脂，含油率从最低的2%～3%到60%～70%，且大多数微生物油脂富含多不饱和脂肪酸（PolyunsaturatedFatAcids，PUFA），有益于人体健康。目前，富含AA和DHA的微生物油脂已在美国、日本、英国、法国等国上市，微生物油脂的应用已形成趋势。
2.5新糖源的开发
微生物发酵生产的新型强力甜味剂有甜度高、热量低的特点，能够满足肥胖症、肝肾病以及糖尿病人对低糖食品的要求。其产生的真菌中所含多糖如金针菇多糖、银耳多糖、香菇多糖、灵芝多糖、猴头菇多糖、茯苓多糖、虫草多糖等，具有免疫激活、抗肿瘤、抗衰老、降血糖、降血脂、保肝、防血栓等多种功能。以上真菌的菌丝体可采取深层发酵培养制取，然后提取真菌多糖，并且淀粉经酶解成葡萄糖后，由嗜高渗酵母发酵后经过浓缩、结晶、分离、干燥等过程制得赤藓糖醇。
3食品工业的展望
放眼未来，食品工业将成为现代生物技术中应用最广阔、最活跃、最富有挑战性的领域。随着现酵工程技术在食品领域的广泛应用，食品工业将不再被认为是传统农业食品，它将在人们日常生活中占据重要的地位。现代食品工业的蓬勃发展，已显示出发酵工程技术的巨大生命力，我们不仅要充分利用世界生物技术迅猛发展的契机，重视发酵工程技术的研究，而且要促进我国食品工业的改革，实现我国食品工业健康有序的发展。
参考文献：
[1]蒋立刚.微生物油脂——人类营养素的新资源[N].中国食品报，2002（34-77）.
[2]罗明典.生物技术领域十个方面的发展趋势[J].生物工程进展，1997（2）：35-40.
[3]郑华学，等.试论生物技术在我国食品工业中的应用[J].河西学院学报，2003（5）：99-102.
[4]姬德衡.发酵工程在功能食品开发中的应用[J].食品技术，2002（7）：9-13.
[5]李彬.现酵工程展望[J].商洛师范专科学校学报，2003（4）：48-54.
生物技术发酵工程篇3
关键词：微生物；发酵工艺；优化
中图分类号：[Q815]文献标识码：A文章编号：1674-0432（2013）-20-34-1
在近年来的微生物发酵历程中，农业方面的运用越来越广泛，在农业中利用有益微生物进行发酵，能够收集菌体或者相关的代谢产物，从而实现农业的增产。除此之外，微生物的发酵应用还在农业防病方面有显著的成效。微生物发酵对于生产而言有很好的增产作用，但是不同的微生物有自身的菌种特性，因此在发酵过程中需要不同的发酵条件，其中包括PH值、温度、溶氧量等，都属于微生物发酵条件的重要内容。发酵工艺的优化能够提高发酵生产的效率，并且降低生产成本，从而将微生物发酵发展成高效、节资的产业。
1微生物发酵影响因素的分析
培养基对于发酵而言，其主要功能是满足微生物在进行代谢产物合成或者生长繁殖的过程中所需的能量。培养基的主要成分直接影响了菌体的生长和繁殖能力，并且对生物的合成效率以及产品的产量和质量有很大的影响。在微生物发酵的研究中发现，不同的微生物品种、不同生长阶段的微生物所需要的培养基以及发酵工艺都有明显的差异。培养基的主要材料是氮源、碳源、微量元素和无机盐，这四种材料的选用直接影响到培养基的质量。
除了碳源以外，无机盐对培养基而言也发挥着很大的作用。在发酵过程中，无机盐影响了微生物的生长，并且对代谢产物的形成有一定的影响。通过研究发现，很多金属离子在浓度较低时能够对微生物的生理活动有积极的影响，但是浓度过高则会抑制微生物的生长和代谢。在无机盐当中，磷是微生物生长和代谢活动所需的重要元素，参与了微生物很多重要的生长活动，例如磷脂、核酸、辅酶的构成，都需要磷元素的加入。磷在微生物的代谢和调节方面还发挥着重要的作用，可以引导微生物进行正常的生长和代谢。正二价的钙离子参与的是细胞生理状态的调节，并且能够增加发酵的菌量，提高微生物发酵的效率。
除此之外，培养基还需要其他的构成成分，通过这些成分对微生物发酵起到积极的推动作用，大大提高了培养基对微生物发酵的效果。发酵培养基的成分安排必须要满足相应微生物的生长需要，为其产物的形成提供必要的营养，并且还要保证物理性状适合微生物发酵的进行。在材料的选用上还需要考虑到价格因素，在保证质量的前提下选用较为便宜的原料，并且原料的来源必须充足，以便微生物发酵工程的长期发展。
2微生物发酵工艺优化的方法
在如今的微生物发酵中，国内外众多学者都开始关注发酵工艺的优化问题，如何有效的开展微生物发酵培养基的成分、培养条件的实验成为目前关注度最高的话题。该方面工艺的提高能够高效、系统的获得所需的微生物产物，将微生物发酵的效率进行显著的提高，并且在成本上还能够做到有效的控制。经过国内外的相关研究，目前使用效果较好的优化方法主要是正交试验设计法、响应面设计法、Plackett-Burman设计法。
正交试验设计法是一种数理统计方法，主要是通过正交表来进行多因素问题的分析，在研究得出结论以后可以通过直观分析或者是直接对比来确定微生物发酵的主要影响因素。该设计法在使用中具有工作量小、方法简单、效果好、效率高等特点，因此正交试验设计法是微生物发酵工艺优化的最常用方法。正交试验设计法在工业和农业生产中应用广泛，并且在其他科研领域也取得了显著的效果。该设计法曾被多名生物学家进行实际的优化应用，例如利用正交设计法对枯草芽孢杆菌的液体发酵进行优化，从而使发酵后杆菌的产量大大提高。
响应面设计法是一种统计方法，主要结合数学建模、统计分析、实验技术等方法经过试验设计进行数据的分析，并且通过多元二次回归方程进行函数关系的拟合，从而将工艺参数进行优化。该方法对于变量因素较多的微生物发酵有很好的参数优化效果，能够将各方面所需材料、发酵因素等进行准确的定量，从而保证微生物催化的顺利进行。响应面设计法的适用面较广，目前除了微生物发酵领域以外还遍布于生物学、医学、制药等多个方面，成为使用最广的微生物发酵优化工艺。
微生物发酵工艺对生物技术的发展有良好的推动作用，该技术在工业和农业方面都得到了广泛的应用，通过微生物发酵能够解决很多正常生产无法解决的问题。合理的运用微生物发酵并且不断进行工艺的优化能够提高生产的效率，推动发酵工程技术的不断前进和发展。在技术纯熟以后还可以广泛运用于医药、卫生、工业等多个领域，为这些领域的发展开辟一个新的纪元。
参考文献
[1]候美玲，辛媛媛，郝志敏，董金皋.玉米内生细菌YY1菌株高产抗菌物质的发酵条件优化[J].玉米科学，2012（03）.
生物技术发酵工程篇4
2.内蒙古农业大学食品科学与工程学院内蒙古呼和浩特010018
摘要：发酵工程是一门内容丰富、涉及面广，并与生产实际紧密联系的一门课程，是工业生物技术的核心。通过仿真技术在发酵工程教学中的应用，阐述了仿真技术与发酵工程教学结合的基本思想，并通过实例阐明了仿真技术应用的优缺点，对仿真教学的方式进行了探讨。
关键词：仿真技术；发酵工程；教学实践；教育改革
Applicationofartificialtechniqueinteachingoffermentationengineering
LiangRuifang1,XuLong1,WengHongzhen1,YuanQian2
1.Baotoulightindustryvocationaltechnicalcollege,Baotou,014035,China
2.InnerMongoliaagriculturaluniversity,Hohhot,010018,China
Abstract:Fermentationengineeringwithrichcontents,coveringawiderangeandcloseconnectionwithactualproduction,isthecoreofindustrialbiotechnology.Withappllicationofartificialtechniqueinteachingoffermentation,thispaperexpoundthebasicideaofartificialtechniquecombinedwithteachingoffermentationengineering,theadvantagesanddisadvantagesofapplicationofartificaltechnique.Modeofsimulationteachingwasstudied.
Keywords:artificialtechnique;fermentationengineering;teachingpractice;educationalreform
从我国目前的教育发展现状及未来的发展需求来看，以信息化教育带动现代化教育已经成为教育改革的趋势。与此同时，如何推进实验、实训和教学模式的改革和创新，提高学生的动手实践能力、分析问题和解决问题的能力，已经成为提高教育质量的关键，对职业教育更是重中之重。发酵工程是微生物、生物制药、生物工程、生物技术、食品等专业的重要基础课，课程内容丰富、涉及面宽，并且与生产实际紧密联系。为培养学生对发酵工程科学原理的理解与掌握，提高实验操作、科学研究及实际动手能力，需要在理论教学的基础上，向实验室小试、中试、生产性试验及工厂实践的方向发展，而且很多教学内容都应将单元操作与生产紧密结合。从教育改革的需要出发，立足于发酵工程教学的特点，我系在发酵工程教学中引入了仿真技术，传统的教育模式得到改善，使得教与学的方式发生了根本性变化。
1基本思想
仿真技术在航天、航空、军事领域的应用具有悠久的历史，是设计的基本方法。随着现代科学技术的进步，尤其是计算机虚拟技术的发展，使仿真技术的应用领域和范围得到了迅速扩大，涵盖了社会的各个方面。随着现代教育技术的发展，仿真技术被引入到了实验教学中，称为仿真实验[1]。仿真技术综合集成了多个技术领域的知识，以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以各种物理效应设备和计算机为工具，利用系统模型对设想的或实际的系统进行实验研究的一门综合性技术[2]。
发酵工程在狭义上称为微生物工程，是在特定条件下通过人为控制，利用微生物或动植物细胞的生命活动而获得特定物质的技术过程，是现代生物技术的重要组成部分[3]。发酵工程主要包括上游工程，中游工程和下游工程三部分。其中优良菌株的选育，最适发酵条件的确定，营养物的准备等属于上游工程；最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞并生产代谢产物属于中游工程；从发酵液中分离和纯化产品属于下游工程。而下游工程技术又包括固液分离、细胞破壁、蛋白质纯化以及产品的包装处理等技术[4]。
若要利用电脑创造虚拟环境来模拟各种真实环境，并根据真实环境和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行，把仿真技术和发酵工程教学完美结合起来，需要将发酵工程中各个研究对象共性的规律提炼出来，归纳为各个单元操作，并将这些单元操作按照发酵工艺过程整合为菌种、培养基、种子扩培、发酵过程控制、提取、精制及包装一条主线，开发出基于企业的虚拟仿真场景的实践教学软件或技能训练平台。不仅可以节省学校的资金投入，快速而高效率地提高学生技能实践的进度；还可以实现技能训练中与仿真设备的交互，能够无限制地使用和复制，减少人为损坏的可能性；通过修改模型有效增加新设备的功能，优化资源库；充分利用网络实现发酵应用技能合作性训练、协同性训练以及远程训练等，达到资源共享[5]。从学生的角度，让学生根据所学的内容在相应仿真环境中，进行开车操作，可以自由改变各个工艺点的参数，自由控制各个节点的阀门，观察工艺反应现象，了解生产实践中每一部分对结果的影响，直到掌握工艺操作，模拟生产出合格产品为止。
2发酵工艺仿真软件的应用
仿真技术在教学中的应用，可以通过我系引进的青霉素发酵工艺仿真软件实例来说明。该软件主要用于制药工程相关专业的教学培训，使参加培训的学生能够充分地理解青霉素生产工艺流程，一对一亲自动手操作，观察工艺反应现象，进行开车操作，同时对于操作过程和结果进行客观的考核与评定。
仿真软件以青霉素的生产工艺过程为主线，以各节点单元操作控制为重点来进行实践培训。如图1所示，在青霉素生产过程中，重点控制预处理、提取流程、精制流程、一次BA萃取、一次反萃取、二次BA萃取、脱色操作、结晶操作、抽滤干燥等控制点，使学生能够清晰地认识到关键控制点，并进行单元操作。
图1青霉素生产工艺流程界面(图片均来自于教学软件)
在各单元中还细分出子模块。以预处理单元为例(如图2所示)，子模块包含菌种介绍、孢子制备、灭菌、培养基配制、发酵工艺操作、发酵罐操作等，进一步深入到单元里的精细流程，并给予各模块非常鲜活的模拟现场，使学生能够在纵观全局的基础上，对设备和参数进行控制。
图2发酵流程界面
涉及具体的操作控制时，可进入操作界面(如图3所示)进行各项参数的控制及阀门的开关，如对发酵过程中的温度、pH值、时间、各种填料、出料等参数条件的控制。在各参数设定好的情况下还可以对发酵情况进行实时观察，通过发酵情况(如图4所示)来确定各参数设定及操作是否正确，如果操作失误会产生故障，在故障的产生和排除过程中，锻炼学生的应急能力，熟练操作技能。
图3发酵罐操作界面
图4菌种曲线界面
青霉素发酵是典型工艺，可见仿真软件具有界面直观、生动，操作方便，易学易用的特点；仿真手段符合实际工艺要求，设备齐全逼真，弥补了传统实习中学生无法亲自动手操作的不足。通过对青霉素发酵工厂实物设备的仿真模拟，使学生对青霉素发酵的工艺原理、操作环境、控制系统、故障处理有了更深的理解。
3仿真软件应用的弊端
虽然仿真软件在教学中具有高效率、高精度、安全、无消耗等特点，但是，仿真软件不应该也不可能取代实物实践。因为实物实践中会产生许多意想不到的问题并能发现思维盲点，而仿真过程是一个理想化的过程，在仿真软件中仪器、元器件的温度、料液浓度、黏度、颜色等物理特性无法感知；添加剂及化学药品的味道、气味也无法感知。同时，仿真操作时因为不用担心误操作带来的后果(例如：温度过高导致管道、罐体等设备的炸裂)，操作不当造成的泄露、爆炸或实践装置损坏等意外事故，容易使学生麻痹大意。长此以往不利于培养学生严谨科学的学风，并且会削弱学生分析和解决实际问题的能力[6,7]。可见，仿真软件并不能完全取代现实教学中的实践操作。
4仿真教学方式的思考
仿真软件的应用虽然大大提高了学生实验的积极性和主动性，给教学注入了新的活力，但它毕竟是教学的辅助工具，为了让它融入教学中，对传统教学的方式方法和观念进行改革，提高教学质量，笔者结合教学经验从以下几方面进行探讨。
(1)优化教学内容。发酵工程不仅与微生物学、生物化学和化工原理等课程密切相关，而且不同院系和专业对该课程的侧重点不同。需要我们选用的教材在内容阐述符合教学规律的基础上，能够反映学科发展的动态性和现实性，并体现课程本身的专业性和系统性，注重知识性和应用性。教师则要有针对性地编写教学大纲和安排教学内容，要求重难点突出，学时分配得当，避免重复[8,9]。因为教材平面图及仿真软件具有感官方面的不足，因此随着发酵工程学研究内容的不断丰富和发展，教学内容也必须不断充实更新，要充分利用资料图片或到工厂实地考察，使设备及部件变得更加生动直观。
(2)强化生物学和工程学两个基础。发酵工程是利用微生物特定机能在特定反应器中生产产品的技术过程，因而要坚持生物学基础和工程学基础并重，力求让学生在掌握生物学基本原理的基础上，利用工程学认识发酵过程的放大与控制的基本特点[3]。基于以上要求，我们加强了反应动力学方面的讲解。利用仿真软件把发酵过程放大，使发酵过程控制等内容与工程相关的理论基础与实践应用结合起来，并通过仿真软件展现发酵过程的多尺度问题，将生物学和工程学基础有机地结合起来。从而锻炼学生通过工程的视角和思维，运用工程的原理和方法解决实际问题的能力。
(3)建立良好的协作学习模式。在教学及仿真软件操作过程中，对学生进行组或工段的划分，建立岗位模拟的协作学习模式，使学生进行自由探索和自主学习，并在学习中互相支持和配合。注重各岗位或工段之间的配合及与环境的交互作用，一方面引导学生通过仿真软件，根据自己本身的情况，从不同的角度选择自己学习的切入点，建立起理论知识和实践的结合点，达到对新知识的掌握；另一方面，学生可以利用实际工程设备以及网络集成信息系统进行学习的自我考核，并在教师的组织和引导下一起讨论和交流，使学习者群体的智慧与思维被整个群体所共享，共同完成对所学知识的完善和更深刻的理解[10]。
(4)开放实验室。实验课是高等教育教学体系的组成部分。发酵工程实验是培养学生科研思维和实践能力的重要手段之一，在生物工程教学中占有十分重要的地位[11]。应打破实验室只在上课时间对学生开放的传统模式，采取在整个课程期间，对学生全天候开放实验室及其仪器设备，并提供相应的仿真软件的实验室管理模式。这样，学生就可以根据自己的需要随时进入实验室，进行课程知识的实验操作，方便其自主地预习或复习课程。实验室的开放，能够最大限度地发挥教学资源效益，扩展学生自主发展和实践锻炼的空间[12]。
(5)加强实践教学环节。发酵工程是来源于工厂实践，又应用于工厂生产的综合性和实践性都很强的课程。实践在这门课程中占有非常重要的地位，而仿真软件正是理论教学与实践之间的桥梁，仿真软件实现了理论与实践教学有机结合。为了让学生深刻理解理论讲解内容，仿真教学环节应让学生加强了解并初步掌握发酵设备。利用仿真操作对学生进行严格的基本功训练，并进行阶段性的基本技能考核，合格者方能进入工厂实践，以此来调动学生学习的积极性、主动性，培养学生刻苦钻研的精神。但仿真软件不能完全取代工厂实践。虽然仿真软件很直观，但和实际情景有很大的差别，实际仪器元件的使用有很多经验问题，仪器的摆放、设备的布局及连接操作等在电脑上也是不能实现的，这方面的经验必须从实际操作中获得。这就要求教学实训基地要和企业具有长期的合作关系，不仅能让学生进行参观学习，还要能够让学生进入车间进行生产实践。
5结束语
将仿真教学应用在发酵工程教学中，可以节约大量的教育成本，带来很多方便。对学生来讲，也摒弃了一些不好的学习习惯，有效地提高了学习效果和效率，是辅助教学、提高教学质量的有效手段和重要途径，是我们应该大力提倡和推广的。但是仿真教学还具有一些弊端，因此我们不能完全依靠仿真教学解决实践教学任务，不能用仿真教学完全替代实物教学和生产实习。综上所述，我们应该将仿真教学和实践教学有机结合起来，相辅相成，扬长避短，充分发挥各自的特点，推动我国教育的发展。
参考文献
[1]习晓远.仿真技术在实验教学中的作用和地位[J].实验室研究与探索,2002,21(2):24-25.
[2]李妍,崔永利.仿真技术在实践教学中的应用与研究[J].信息技术,2006,11:107-111.
[3]陈叶福,肖冬光,陈宁.对发酵工程课程教学的几点思考[J].中国轻工教育,2010,2:64-65.
[4]谢希贤,陈宁,徐庆阳.发酵工程开放式教学的改革探讨[J].中国科教创新导刊,2010,7:181-182.
[5]陈鹏.虚拟仿真技术在服装工艺教学中的应用研究[D].长沙:湖南师范大学,2009.
[6]何连琴,陈跃华.仿真技术的实验教学应用与探讨[J].中国现代教育装备,2009,15:73-76.
[7]潘应晖.数控仿真软件教学应用探讨[J].武夷学院学报,2011,30(2):81-84.
[8]黄方一,杨登想,杨艳燕.高职院校发酵工程课程教学改革探析[J].现代农业科技,2009,23:370-375.
[9]黄金林,潘志明,焦新安.发酵工程课程教学的思考与探索[J].生物学杂志,2005,22(5):46-50.
[10].仿真教学在高等职业教育中应用研究[D].济南:山东师范大学,2008.
生物技术发酵工程篇5
关键词：微生物发酵工程实验教学研究型趣味性
对于生物工程专业的学生来说，学好发酵工程显得尤为重要。发酵工程是一门应用性和实践性很强的课程，实验教学在发酵工程教学活动中非常关键。为了在发酵工程实验教学中训练学生科学的思维方法，进一步培养学生独立观察、提出问题、思考和分析问题、解决问题的能力，以满足社会对创新型、综合型人才与日俱增的需求，近年来发酵工程教研室在发酵工程实验课程内容、教学方法和考核方式等方面进行了一些探索性工作。
一、现状分析
发酵工程又称微生物工程，是生物工程和生物技术专业的专业课程，含有现代生物科学和工程的科学技术，包括数学、物理、化学、生物化学、微生物学、化工原理、工程学等理论知识，是一门应用性和实践性很强的学科，也是实现基因工程、酶工程和细胞工程等其他生物技术的最终方法和手段。
1996年高等学校专业设置和课程调整后，发酵工程成为生物工程专业的一门核心课程。发酵工程实验是以操作为主的技能课程，随着目前生物技术行业的快速发展，发酵工程、基因工程、酶工程和细胞工程构成了现代生物技术的主体。然而，不管是基因工程、酶工程还是细胞工程，其产物要实现工业化或转化生产，都必须利用发酵工程的生产原理与技术。作为一门实践性极强的学科，理论教学与实践相结合是使学生牢固掌握发酵工程基本知识的关键，因此，发酵工程实验是实施全面发酵工程教育的一种最有效的教学形式。传统的发酵工程实验由相对独立的实验构成，内容孤立、不系统且多为验证性实验，实验过程中以教师为主体，学生在教师的逐步指导下完成实验，并不完全理解实验的原理、结果及其意义，因此难以将学到的实验原理和方法应用于实际。学生在实验中较为被动，学习兴趣不高，积极主动性较低，没有达到很好的教学效果，很难适应培养应用型、创新型人才的需求。同时，发酵工程实验具有微生物发酵周期长的特殊性，且实验需要连续进行，发酵工程实验课时短，按每周开设实验课的常规教学计划进行，很难实现发酵工程实验的系统性。
早在1934年，戴安邦就指出：科学教学不但要传授知识，而且要进行全面的教学，包括人的科学思想和品德的培养。为了在发酵工程实验教学中训练学生科学的思维方法，进一步培养学生独立观察、思考和分析问题、解决问题、提出问题的能力，不断满足社会对创新型、综合型人才与日俱增的需求，在发酵工程实验课程内容、教学方法与手段、考核方式等方面需要进行一系列的改革，建立新的发酵工程实验课程体系显得尤为重要。
二、实施方案和实施方法
1.实验内容的改革的实施
根据实验条件和学生实际情况，我们增加了特定产物工业生产菌种的筛选、发酵及应用性质研究这一综合性实验。在此实验中，同时涉及微生物学、发酵工程、生物下游技术、酶工程、生物检验与分析三门课程，并用到微生物的分离纯化、发酵条件优化和酶活的分光光度法测定等方法和技术。通过从自然界中筛选一株能产生特定产物的菌株出发，直到最终利用该菌株所产生的特定产物进行应用的整个过程，培养了学生从事发酵工程研究的基本思路和方法；通过实验，学生可以全面了解某一发酵工程产品生产和应用的特点与关键环节，加深对发酵工程原理与技术的理解。
通过调整和修改，最终确定的实验内容体系共分6部分：根霉曲的制备和甜酒酿的制作，食醋的酿制，中西式泡菜的制作，乳酸菌的分离和酸奶的制作，特定产物工业生产菌种的筛选、发酵及应用性质研究。其中第5部分为综合性实验，整个实验围绕特定的产物淀粉酶，从产酶菌的筛选、发酵条件优化直到获得发酵产物并进行实际应用，前一阶段的实验结果就是下一阶段实验的原料，各阶段实验之间具有很强的逻辑连贯性。第6部分为设计性实验，要求学生初步完成研究内容―查阅资料―设计并实验―总结四部曲，也就是要求学生根据已定方向进行文献查阅、拟订实验方案、选择和组装所需仪器设备、写出论文式的实验报告，再由老师进行总结和提高。首先让学生们通过查阅资料，列出实验方案；接着师生一起讨论，确定实验方案；然后让他们在限定时间内进行实验，完成实验报告，整个过程充分发挥学生的主动性与创造性。学生在查阅资料、设计实验方案的过程中，进一步加深了对专业理论知识的理解，并通过灵活的实践性操作技能的训练，开发了创造性思维，提高了科学实验综合素质。
2.教学组织形式的改革的实施
在实验过程中，我们将2名学生编为一个小组，4个小组编为1个大组。验证性实验以小组为单位进行，而综合性实验考虑到时间和实验设备材料的限制，则以大组为单位。例如在进行淀粉酶产生菌发酵条件优化的实验时，每个小组优化1种条件，这样既节省了时间，培养了学生的团队合作精神，又通过一个发酵条件的优化研究掌握了其他条件优化的基本方法和操作，将大组中其他小组的实验结果综合起来就可以获得最终的优化条件。
在教师的总体指导下，在给定的实验方案的基础上，通过学生独立思考、自行规划实验流程、制订实验计划、准备实验材料、动手操作、分析和讨论实验结果并最后写出实验论文。这种科研式教学的设计突出了研究性的特点，学生以研究者的身份进行工作，教师则以导师的身份对学生的研究工作进行指导、回答学生的疑问并对学生的每一步实验结果进行评价和把关。实验室随时对学生开放，学生可以根据自己的情况合理安排实验进度和时间，达到培养学生研究性思维和独立动手能力的目的。
3.实验教学管理的改革的实施
重视实验前预习与实验准备：在实验前，指导教师只给出实验题目和要求，让学生充分预习实验指导书，查阅有关资料，开拓思路，发挥自主性和创造性，设计实验过程，并写出包括实验操作程序、实验材料及预期实验结果的预习报告。教师认真批阅修改预习报告后，让学生进行实验前的全部准备工作，这样不仅解除了学生的依赖心理，而且增加了实际操作锻炼的机会，使他们进一步了解了实验的原理、方法和步骤，做到了心中有数，从而降低了实验过程的操作错误。
学生独立操作，教师适时启发：学生在实验中必须成为一个实践者和探索者，是实验的主体，所以在实验中必须增强学生的主体意识，学生根据预习结果，自己设计和安排达到实验目的，教师必须纠正学生不规范的操作，使学生正确熟练地掌握各种常规实验技术，为以后学习和工作打下良好的基础。
认真批改实验报告：实验报告是对实验的总结，也是对实验课质量的检验，通过对实验报告的批改，可以培养学生的实验操作能力和观察分析问题能力。
4.考核制度的改革
由于是短学期实习课程，重在平时的实验技能培养，考核中不含有笔试，以减少“高分低能”现象的出现。采用平时成绩、实验报告、考试成绩相结合的实验考核方式。平时成绩包括实验方案设计、平时操作、安全卫生等内容，占40，实验报告占30，考试成绩为实验操作考试成绩，同时制定考核细则，占30。其中，实验报告成绩并不由实验老师个人评定，而是进行报告的展示，各组以PPT形式汇报实验结果，由各组长及实验老师共同打分，所有学生现场观摩。在此答辩环节，既巩固了发酵工程实验课程的相关知识，又锻炼了学生运用知识的表达能力。此实验考核方式的改革，有利于调动学生的主观能动性，提高学生的动手能力和实验基本素养。
5.重视实践教学元素
实验考核结束之后，带领学生参观一些不同类型的发酵工厂，如啤酒厂、制药厂，分组到车间比较详细地熟悉各个工艺单元的操作，以巩固实验室所学的理论和操作技术，同时解决在实验中碰到的部分疑虑。
结语
生物技术发酵工程篇6
【关键词】发酵工程实验；教学改革；教学效率
生物技术制药是新药研发的重要组成，其产品的实现一般需要发酵工程的参与，因而发酵工程是生物药物工业化生产的核心。现酵过程中不断涌现新技术和新方法，因此实践性和应用性强[1]。在工业发酵生产进行的数十年中所积累的丰富经验，结合生物科技的发展，已经上升为理论性的知识，并不断继续扩展。这些知识在发酵工程教学中非常关键，也是发酵理论知识的重要补充[2,3]。通过发酵工程实验教学，学生可以直观的面对理论教学中出现的各种现象和过程，更好地理解和掌握发酵工程的原理和方法，认识发酵相关设备与学习基本操作技能。从而达到培养学生结合理论知识分析实验现象和解决问题的能力，掌握基本的实验操作技能的目的。在实验学习中，综合提高学生的发现问题、分析问题和尝试解决问题的能力。以发酵中出现的问题为出发点，引导学生主动从理论知识出发，结合实验现象，寻找和解决问题，实现学习方式的转变。
1与制药相关发酵工程实验课开设现状
发酵工程作为武汉大学药学院生物制药的主干课程已有14年，成立生物技术制药专业后发酵工程实验课程作为必修课程开设了3年。按照我校生物技术制药专业的人才培养目标，相关课程如生物技术制药实验和生物化学实验，其教学内容与发酵工程实验课又很大的关联与分工。在武汉大学药学院的具体教学工作中，通过各授课教师的协调，做到在这三门课程的理论教学与实验教学中均不存在内容重复，并且具有一定的连贯性。虽然发酵工程实验课程由相对独立的实验构成，但是存在多是相对比较基础的微生物实验内容，不能兼顾发酵各环节和不同发酵类型的不同情况，因此有必要对其实验内容进行重新设计与整合优化。
2发酵工程实验课的教学改革实施方式
2.1提高教学效率
重新设计之前由于实验内容偏向基础的微生物实验，采用比较松散的每周一次课。在新的设计中，每周上两次课，因此过去全学期的实验课程现在半学期就可以完成。但是每次上课都需要至少8个小时，在各次上课之间的时间，也根据实验内容穿插安排取样、观察、制样等过程，保证教学内容可以完成。而且开课时间也相应稍晚于理论课进程，基本在发酵工艺讲解后开始实验课。目的是使学生在对整个发酵工程的内容开始有一定认识后再进入实验课，避免过于陌生而出现盲目的按照实验步骤操作而不理解的情况出现。与部分院校开设“一条龙”式实验教学不同，武汉大学药学院开设发酵工程实验课是分段式的。其原因：第一是学生的教学安排还有其它课程，很难实现连续数天的时间单独进行实验教学；第二“一条龙”式实验教学要求前后连贯衔接，如果中间某步实验不能达到实验目的，那么下一步实验就不能按计划进行，会严重干扰教学进程[4]。而采用的分段式实验安排，虽然不是前后相连的实验，但是在内容上比较全面的涉及了发酵工程的主要操作内容，可以使学生系统的学习和了解该课程的学习要点。而各实验分别在上课前进行准备工作，可以保证课程的顺利进行。另外，在实验进程中，由于微生物生长需要时间，因此将不同实验内容穿行。这样可以避免“一条龙”式实验模式中必须等待上步实验结果出来才能进行下部操作的问题，节约了时间，提高了实验室的利用率。降低了与其它课程的时间冲突，同时也方便了课程以及教室安排和学生选课。
2.2实验教学体系整合优化
以前开展的发酵工程实验中，内容以发酵工程基本操作及菌种筛选等为主，比较简单枯燥。改革后结合武汉大学药学院生物制药专业的特点，与发酵工程设计的相关课程相互协调，避免开设雷同的实验内容，但是又与微生物、微生物制药、制药工程等相互关联或前后衔接，形成连续而有机体系，彻底从验证性实验向综合性实验转变[5]。这种综合性的实验教学设计将促进学生从发酵的整体目标出发进行思考，全面分析某一发酵过程出现的现象，确定关键的操作点，从全局的角度出发来思考和学习发酵工程知识[6]。
2.3实验教学内容的重新设计与调整
根据我院生物技术制药专业的培养目标，我们选择实验课程兼顾系统性、科学性和实用性，安排学生从基本到相对复杂的操作上手，以典型的发酵过程和产品生产为主干知识，将实验教学内容安排为7个实验项目，分别是：优化液态发酵条件、机械罐操作及动力学研究、菌种诱变、培养基优化、固态发酵制作米酒、淀粉原料处理、固定化发酵。按照循序渐进、由易到难的方式安排。重新设计的实验教学内容更加丰富，有利于学生综合运用知识和创新能力的培养。
3结语
进行课程改革的目的是帮助学生更好地学习发酵工程实验技术，如果一味追求漂亮的实验流程和实验结果，可能给学生的学习过程带来一定的不便。我们的改革从强化学习要点出发，通过快速和鲜明的实验过程帮助学生提高学习效率。在未来的实验教学中，我们将继续本着这个目标不断改进，进一步探索和完善适合生物制药专业的发酵工程的实验教学方式，达到培养全面合格的创新型生物制药人才的目标。
参考文献
[1]赵辉.高校发酵工程类课程实验教学探索[J].安徽农业科学,2017,3:245-246.
[2]胡仙妹,邵化,马科,等.生物技术专业《发酵工艺学》教学改革探索与实践[J].轻工科技,2016,12:188-189.
[3]贺气志,唐亮,夏俊,等.医学院校生物技术专业发酵工程实验体系的构建[J].长沙医学院学报,2016,3:1-6.
[4]崔艳,付荣霞,樊秀花.生物工程专业创新性实验项目的探索[J].大学教育,2016,9:162-163.
[5]生书晶,佘婷婷,孙婷琪,等.发酵工程课程教学改革探索与实践[J].高教学刊,2016,13:69-70.