1.3 发酵工程及其应用（教学设计）-【上好课】高二生物同步高效课堂（人教版2019选择性必修3）

1．3 发酵工程及其应用 一、教学目标： 1．掌握发酵工程的基本环节。 2．理解发酵工程在农业、食品工业、医药工业及其他工业生产上有重要的应用价值。 二、教学重点和难点： 1．教学重点：发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。 2．教学难点：发酵工程的基本环节。 三、教学设计思路 教师以“问题探讨——青霉素”来引起学生的兴趣→了解发酵工程的基本环节→发酵工程的应用，以学生小组为单位→培养学生的小组合作学习。 四、教学过程 【新课导入】 （5 分钟） 展示青霉素相关图片，讲述其从早期价格昂贵到如今广泛应用的变化，提出问题：“早期青霉素提取困难，工业上是如何实现大量生产的？” 引发学生思考，导入发酵工程的学习。 【新课学习】 （30 分钟） 一、发酵工程的基本环节（15 分钟） 合作探究一：请同学们自主阅读教材P22-23，小组合作思考讨论完成问题。 组织学生自主阅读教材 P22 - 23 内容，分组讨论三个问题：什么是发酵工程？发酵工程的一般流程是什么？发酵工程能生产哪些产品？ 结合 PPT 中发酵工程基本环节的示意图，详细讲解各环节： 1．选育菌种：强调优良菌种对产物品质的关键影响，介绍从自然界筛选、诱变育种、基因工程育种等获取菌种的方法，以产柠檬酸量高的黑曲霉和基因工程改造的啤酒酵母为例说明。 2．扩大培养：解释扩大培养是为了在短时间内获得大量菌体，满足工业发酵需求，介绍常用的液体培养基及原因。 3．配制培养基：说明要根据菌种代谢特点选择材料配制培养基，强调培养基成分优化需反复试验，展示不同培养基配方实例。 4．灭菌：阐述灭菌的目的是防止杂菌污染，以青霉素生产中杂菌分泌青霉素酶分解青霉素为例，说明杂菌污染的危害。 5．接种：简单介绍将扩大培养后的菌种接入发酵罐的操作要点。 6．发酵罐内发酵：重点讲解这是发酵工程的中心环节。讲解如何通过检测微生物数量和产物浓度了解发酵进程；强调温度、pH、溶解氧等发酵条件对微生物生长和代谢的重要影响，以谷氨酸发酵为例，说明不同发酵条件下产物的差异；介绍发酵罐中搅拌叶轮、温度传感器等装置对发酵条件的调节和控制作用。 7．分离提纯产物与获得产品：根据发酵产品是微生物细胞本身还是代谢物，分别介绍过滤、沉淀、提取、纯化等不同的分离提纯方法。 课堂互动：提问学生发酵工程中某一环节操作不当可能产生的后果，检验学生对基本环节的理解。 【课堂练习】 1．发酵工程的正确操作过程是 ①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　 ⑤菌种的选育　⑥接种　⑦扩大培养 A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④ C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③① 2．下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（ ） A．发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵 B．发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选 C．发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标 D．通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 二、发酵工程的应用（15 分钟） 合作探究二：观看视频，阅读教材P24-25，写出啤酒的工业化生产流程。 1．食品工业：介绍发酵工程在食品工业的应用。生产传统发酵产品时，以酱油和酒类生产为例，讲解微生物在发酵过程中的作用；播放啤酒工业化生产流程视频，让学生填写关键步骤（焙烤和蒸煮的目的），组织学生讨论酵母菌酒精发酵“先通气后密封”的原因、啤酒密封不严变酸的原理以及“精酿”啤酒与“工业”啤酒的优劣。在生产食品添加剂方面，展示各类食品添加剂的图片，以柠檬酸和味精为例，说明其功能、生产菌种和在食品中的应用。讲解酶制剂时，介绍其分类、作用和常见的酶制剂产品。 2．医药工业：通过展示重组乙型肝炎疫苗、阿莫西林胶囊、注射用青霉素钠等药物图片，讲解基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合生产药物和疫苗的原理，强调发酵工程在大规模生产这些医药产品中的重要作用。 3．农牧业：讲解微生物肥料利用微生物代谢产物增进土壤肥力、改良土壤结构等原理，展示根瘤菌肥、固氮菌肥等产品图片。介绍微生物农药利用微生物或其代谢物防治病虫害的生物防治方式，列举苏云金杆菌、白僵菌、放线菌等微生物农药及其防治的病虫害种类。阐述微生物饲料以淀粉或纤维素水解液等为原料发酵获得单细胞蛋白，可用于家畜家禽养殖，提高其生长性能和产奶、产蛋量。 4．其他方面：提及发酵工程在解决资源短缺和环境污染问题（如纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质）以及利用极端微生物（如嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂）方面的应用，拓展学生视野。 【课堂练习】 1．发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是 A.黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种 B.啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品 C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗 2．下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是 A.生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养 C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 【课堂总结】 【练习与应用】 一、概念检测 1．与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 (1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ × ） (2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ √ ） (3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ √ ） (4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ × ） 二、拓展应用 1．在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力) 提示：可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 (2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 提示：可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 2．通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。 提示：存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 【板书设计】 一、发酵工程的基本环节 1．选育菌种：影响产物品质，来源有自然界筛选、诱变育种、基因工程育种（如黑曲霉、啤酒酵母） 2．扩大培养：获大量菌体，用液体培养基 3．配制培养基：依菌种代谢特点，需优化设计 4．灭菌：防杂菌污染，影响产量和品质 5．接种：扩大培养后菌种接入发酵罐 6．发酵罐内发酵：中心环节，检测进程，控温、pH、溶解氧等条件，如谷氨酸发酵 7．分离提纯产物：依产物性质选择方法，获产品 二、发酵工程的应用 1．食品工业：生产传统产品（酱油、酒类）、食品添加剂（柠檬酸、味精）、酶制剂（果胶酶等） 2．医药工业：结合基因工程等生产药物、疫苗（青霉素、乙肝疫苗） 3．农牧业：微生物肥料（根瘤菌肥）、农药（苏云金杆菌）、饲料（单细胞蛋白） 4．其他方面：解决资源环境问题、利用极端微生物 / 学科网（北京）股份有限公司 $$