1.3发酵工程及其应用教学设计-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

课题 第1章 第3节 发酵工程及其应用（1-2个课时） 时间 教材分析 第3节《发酵工程及其应用》介绍了发酵工程一般包舌菌种的选育、扩大培养、培养基的配制和灭菌、接种、发酵、产品的分离和提纯等环节，在此基础上介绍了发酵工程在食品工业、医药工业及其他工农业生产上的应用，引导学生理解发酵工程在医药、食品及工农业生产上的重要的应用价值。本节内容是在第1、2节两节的基础上发展起来的，也是基因工程的必要辅助技术。 本章内容是原人教版专题一和专题二的合并，合并后，知识、技能和素养的要求并没有大的变化，只是内容上更加紧凑，知识点间的联系更符合学生的认知习惯。 学情分析 教学目标 1.概述发酵工程及其基本环节。(生命观念，科学思维) 2.阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。(科学思维) 3.举例说明发酵工程在农业，医药工业，食品工业及其他工业生产上有重要的应用价值。(科学思维，社会责任) 教学重难点 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。 教学内容及流程 学习任务 教学过程 备注 新课导入——从社会中来 【教师讲述】青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量，价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，一瓶规格 160 万单位青霉素注射剂的价格只要 1 元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样产生的呢？ 发酵工程的基本环节 【教师讲述】 1. 发酵工程定义：发酵工程指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面。 【教师讲述】步骤一：菌种的选育 1.选育依据：若生产的是微生物直接合成的产物（如青霉素、谷氨酸等），则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种（常规菌）。若生产的是微生物不能合成的产物，可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品目的（工程菌）。 2.选育途径：性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。 步骤二：扩大培养 1.原因：工业发酵罐体积大 (几十到几百立方米)，接种菌种总体积大 (几立方米到几十立方米)，所以发酵前需对菌种多次扩大培养。 2.目的：增加菌种数量，缩短生产周期。 3.方法：将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。 步骤三：培养基的配置 1.前提：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。 2.要求 ① 根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。 ② 培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的 pH，以利于产物的合成。 ③ 应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。 3.类型：发酵工程一般使用液体培养基。 步骤四：灭菌 1.严格灭菌的原因：发酵工程所用大多为单一菌种，杂菌将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响，有杂菌污染会影响产量，因此培养基和设备需严格灭菌。 2.实例 ① 在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。 ② 在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。 步骤五：接种 将扩大培养的菌种投放到发酵罐中。 步骤六：发酵罐内发酵 发酵工程的中心环节 1.发酵过程要求 ·随时检测培养液微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程。 ·环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成，需检测和控制温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。 2.发酵条件调控 ·温度：可通过向冷却夹层通入冷水来调控；温度升高的原因包括微生物分解有机物释放的能量、机械搅拌产生的热量。 ·pH：可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；pH 变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。 ·溶解氧：厌氧型需封闭空气入口，建立厌氧环境等；需氧型通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。 相关提醒： 1.发酵罐在使用前要进行灭菌，培养基和发酵设备一般用蒸汽灭菌，空气采用过滤的方法除菌。 2.对于需氧发酵，为了防止杂菌污染，应该从空气入口通入无菌空气。 3.搅拌的作用：① 使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶解氧；② 使菌种与培养液充分接触，提高原料利用率。 步骤七：产品的分离 思考1：选择发酵工程用的菌种时需要考虑的因素：低成本的培养基上能迅速繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件易控制；菌种不易变异、退化等。 思考2：发酵生产的废气、废液处理：不能直接排放到外界环境中，因为微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质；为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 思考3：发酵工程与传统发酵技术在产物分离和提纯方面的改进：传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物；发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多，在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法，在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法，且发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，最后都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 让学生自主构建流程图有利于他们对发酵工程的基本环节形成一个整体认识，帮助他们发展工程思维。 发酵工程的应用 【教师讲述】发酵工程的优势：产物专一、生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、废弃物对环境污染小且容易处理。 应用领域：医药工业、食品工业、农牧业、其他方面。 1. 在食品工业上的应用 ① 生产传统的发酵产品 ②生产各种各样的食品添加剂 ③生产酶制剂 ·定义：酶制剂是指酶经过提纯、加工后具有催化功能的生物制品，主要用于催化生产过程中的各种化学反应。利用微生物发酵生产 α­ 淀粉酶、β­ 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等，目前已有 50 多种酶制剂用于食品生产。 ·应用：淀粉酶用于面包生产中的面团改良、婴幼儿食品中的谷类原料的预处理、啤酒制造中用于糖化和分解淀粉、果汁加工中的淀粉分解和提高过滤速度，以及蔬菜、糖浆、怡糖、葡萄糖、粉状糊精等食品的加工制造；蛋白酶用于水解蛋白生产、肉类软化、啤酒抗寒、烘烤制品、干酪制造等。 【教师讲述】啤酒的工业化生产流程 核心步骤：发芽（大麦种子发芽，释放淀粉酶）→焙烤（加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活，焙烤温度不能过高）→研磨（将干燥的麦芽研磨成麦芽粉）→糖化（淀粉分解，形成糖浆）→蒸煮（产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌；蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌）→发酵（接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染；酵母菌将糖转化为酒精和二氧化碳；通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期）→消毒（杀死啤酒中的大多数微生物，延长保存期）→终止（过滤、调节、分装啤酒进行出售）。 思考1：酵母菌酒精发酵 “先通气后密封”：“通气” 使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；“密封” 使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 思考2：发酵后期密封不严啤酒变酸：醋酸菌是好氧菌，密封不严时，酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 思考3：现代工程手段提升啤酒产量和质量：菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等。 思考4：精酿啤酒与工业啤酒的对比 辩证看待：精酿啤酒能满足部分人对独特口感的需求或时尚追求，但存在品质不稳定、价格昂贵的问题；工业啤酒规模化生产，性价比高，满足大众需求。 2.在医药工业上的应用 ①发酵工程生产的药物：各种抗生素、多种氨基酸、多种激素、多种免疫调节剂。 ②基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合： ·应用实例： ①生产抗生素：应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。 ②生产多种氨基酸：精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。 ③生产激素：利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。 ④生产免疫调节剂：利用工程菌生产乙肝疫苗（如重组酵母乙型肝炎疫苗）。 3.在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料 原理：Ⅰ. 利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；Ⅱ. 利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 ②生产微生物农药 定义：利用微生物或其代谢物来防治病虫害，是生物防治的重要手段。 比较分析：表格比较分析微生物农药防治和化学农药防治的比较 ③生产微生物饲料：微生物含有丰富的蛋白质 青贮饲料：青贮饲料中添加乳酸菌，提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力。 单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 4.在其他方面的应用 ①解决资源短缺和环境污染问题：随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 ②将极端微生物应用于生产实践 极端微生物：能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活的微生物。 应用：嗜热菌、嗜盐菌产生的耐高温、耐盐的酶可以用来生产洗涤剂；嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 【教师讲述】发酵工程的产业价值：发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止 2015 年，我国生物发酵生产年总值近 2900 亿元，产品总量位居世界第一，我国是名副其实的发酵大国。 小结与练习 【课堂小结】同板书 【课堂练习】处理教材中的思考讨论、练习与应用，处理双导学案和分层作业 引导学生关注知识内容的梳理，尝试构建概念图。 板书设计 1.3发酵工程及其应用 一、基本环节 菌种的选育一扩大培养一培养基的配制灭菌接种一发酵产品的分离提纯 二、应用 1.食品工艺上的应用 (1)传统的发酵产品 (2)食品添加剂 (3)酶制剂 2.医药工业上的应用生产抗生素、多种氨基酸、激素、免疫调节剂 3.在农牧业上的应用 (1)微生物肥料 (2)微生物农药 (3)微生物饲料 4.在其他方面的应用 作业布置 【课后作业】1.完成分层训练课后素养评价、2.完成双导学案对应内容和下一节问题式预习部分 教学反思 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $