1、传授最新科研知识，激发学生创新意识-发酵工程精品课程教学心得点滴生物工程学院 庄英萍 张嗣良利用培养微生物生产某些代谢产物是发酵工程的主要内涵，而发酵工程目前涉及到的有以生产抗生素为代表的传统发酵工程，也有以生产基因工程菌表达活性蛋白为代表的现代生物技术发酵工程。而我校的生物工程专业从原来 1954 年成立抗生素制造工学专业至今，一直侧重于生物工程的中下游方面教学与研究，尤其注重与微生物培养的工程与实践，而将微生物培养过程作为主要授课内容的发酵工程是从最初的生物工艺学演变过来，已有悠久的历史。然而随着生物技术的发展，以及人类社会进入生物经济世纪，即将利用来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为
2、现代社会所需要的一切化工原料和能源等等需求对发酵工程提出了新的挑战。因此如何将发酵工程领域所面临的机遇与挑战及时的传授给学生，使他们尽早的认识到自身的职责，激发他们的创新意识，就成为本课程所面临的重要挑战。本论文对教学内容的拓展、提升核心教学内容、改善教学效果及激发学生创新能力等方面作了初步探索。一、展现研究领域的过去、现在及未来，提升学生的学习兴趣在发酵工程精品课程教学中一个非常重要的举措就是将发酵工程的发展历史、现在与将来一起展现在学生的课堂教学中，有在发酵工程领域著名教授来讲授这一部分课程的内容。他让学生了解到：发酵现象酿造食品工业非食品工业青霉素抗菌素发酵工业氨基酸,核酸发酵（代谢控制
3、发酵）基因工程菌动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物等生物技术产业化的发展历史；了解到发酵工程发展历史中的几个重大转折点：非食品工业抗菌素发酵工业切断支路代谢产品生产现代基因工程、动物、海洋技术的发展等；了解到发酵工程技术发展的重大进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题、抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造等等。课程中专门强调了发酵工程技术在现代生物技术发展中的重要地位：细胞融合技术、基因操作技术等现代生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物，给发酵工程赋予了新的使命；人类基因组测
4、序完成的后向功能基因组学转变，功能基因的研究必定是建立在大规模、全方位的蛋白质表达的基础上的，而发酵工程就能完成蛋白质表达这一功能；人类社会的发展将由基于碳氢化合物的工业革命世纪转变到基于碳水化合物的生物经济世纪，只有工业微生物发酵过程才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的一切化工原料和能源。所有这一切使发酵工程赋予了新的使命和良好的发展前景，同学在掌握了这些内容后，势必对课程的学习兴趣大增。二、提升课程的核心内容作为一门完整的课程，其教学内容是非常多的，如何让学生从众多的教学内容中领会出课程的核心内容，然后在此基础上延伸，也是课程教学的关键。本课程根据发酵工程的特点，
5、总结出了与课程教学密切相关的两个核心基础内容：发酵工程学和生物学。而后就此核心技术的发展历程与最新进展进行介绍，以让学生全面了解课程的核心基础内容。发酵工程中的主要问题是发酵过程的优化与放大。即在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培养过程中进一步考察它的生理生化特性，稳定或改进微生物反应工艺过程，对生化反应做定量的和动力学方面的考察；发酵过程是以微生物反应为核心的，是很多过程环节参与的综合结果，整个过程贯穿着以“速率”为内容的基础研究。上述研究内容即最初的生化工程研究的内容。此外通过本征动力学、宏观动力学以及生物反应器工程的研究，形成了经典的以动力学为基础的工程学。而将微生物生长和反
6、应过程研究相结合，即从工程学角度研究对细胞生长反应的影响，研究各类微生物代谢平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据，如胞内反应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能量的关系等，形成了经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生物学。而在发酵工程理论发展中，有两个重要内容：一是宏观细胞代谢流的检测与控制，也即通过对反应器中宏观细胞代谢流的检测，利用参数相关数据分析方法，找到过程优化中的关键因子进行控制，实现过程优化；二是生物反应过程中的多尺度工程学分析方法，也即将具有时空多尺度结构的生物反应过程复杂系统分解成基因尺度、细胞尺度、反应器尺度三个尺度问题，通过从低一尺度层次的规律或
7、性质，来预测研究另一尺度层次的规律或性质来实现跨尺度的观察与优化。上述内容也即现代发酵工程技术的最新技术进展。三、抓住学科发展的前沿，激发学生创新意识20 世纪生物学经历了由宏观到微观的发展过程，由形态、表型的描述逐步分解、细化到生物体的各种分子及其功能的研究。2003 年在完成了人和各种模式生物体基因组的测序后，人类基因组计划和随后发展的各基因组学、蛋白质组学、代谢组学、环境组学等技术把生物学带入了系统科学的时代。这就要求我们将发酵工程的教学与这些最新的生物技术发展相结合，将最新研究前沿介绍给学生。为此我们将如何将最新生物技术应用到发酵工程研究中作为课程拓展内容介绍给了学生：发酵过程中高效的
8、菌种（或细胞株）和过程优化使发酵工程重要的课题，而环境与基因组决定了细胞的表型特征，细胞的性质不仅与基因组密切相关，也与细胞所处的微观及宏观环境条件（营养种类及浓度， pH，温度，溶氧，生物反应器的混合与传递特性等）密切相关。在菌种改良和发酵过程优化中就要密切结合这些实际的环境条件对菌种的内在的转录组、蛋白组、代谢组调控进行研究，统一菌种改良和过程优化，从而使得到的菌种满足包括环境条件影响在内的发酵过程优化的需要。因此环境组学与基因组、转录组、蛋白组和代谢组的关联分析是非常重要的，为此进一步的发酵过程优化即应开展发酵过程系统生物学研究，在研究方法上，强调了宏观的、全域的、系统的、动态的方法论。
9、所有这些与最新的生物技术发展密切相关的研究内容，正是发酵工程研究的前沿，学生在认识到这一点后，他们就会在学习最新技术、应用最新技术上感兴趣，最终激发学生的创新能力。四、以生动形象的科研实际素材作为理论与方法的应用实例从上面的内容可以看到，仅涉及到学科发展历史、现状和未来的内容就很多，我们如何将这些内容形象的展现给学生呢？我们通过的是形象教育，即采用大量的图片和实际案例莱达到这一目标。在讲到工程学的基础时，我们有数百张各类生物反应器的照片：从简单的试验是研究用反应器，到工业规模的反应器，以及与之相配套的公用工程的设备等；从微生物反应器到动物细胞、植物细胞以及动物反应器等等；有反应器加工中最新的加
10、工技术；有运用最新的计算流体力学软件在反应器设计中取得成效的结果等等。所有这些让学生感受到了工程学技术研究对发酵工程的重要性。在讲到最新发酵工程技术进展中，以鸟苷发酵过程优化与放大研究中实际应用多尺度工程学理论与方法，最终使发酵产品的产量从 17g/L 提高到 34g/L，使我国的民族企业在与国际企业的竞争中获得成功的实例，让学生感受到发酵工程技术的重要性；另外，还将我校生物工程中心十多年来，在各个品种发酵优化研究中所得出的一些关键技术创新点展示给学生，使他们对发酵工程技术的技术精髓有进一步的认识。在讲到最新的生物技术进展时，我们给学生展示的是由罐基因芯片技术、蛋白组学技术、代谢组学技术等方面最新的研究设备和结果，让学生感受到了发酵工程与生物技术同步前进的步伐。发酵工程作为上海市的精品课程，生物工程学院以在发酵工程领域享有盛誉的张嗣良教授负责这一课程建设，而张教授又组织了一支长期在发酵工程教学、科研第一线的骨干组成了精品课程的教师队伍，他们中有长期从事教学的老教师，也有长期从事发酵工程研究的中、青年教师，队伍中作为国家科研项目负责人的就有 5 人，他们在发酵工程的前沿研究领域各有建树，成为发酵工程课程教学内容不断拓展的生力军。
