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

该高中生物学教学设计聚焦发酵工程核心知识，通过回顾传统发酵技术、微生物培养等旧知，结合青霉素工业化生产案例及视频导入，梳理发酵工程与传统技术的区别，搭建前后知识联系的学习支架。 此资料以核心素养为导向，通过视频分析、流程图填写培养科学思维，小组合作搜集资料展示应用强化探究实践，结合谷氨酸发酵等实例渗透生命观念，助力学生建构知识网络，提升教师教学效率与学生综合能力。

课题名称 1.3 发酵工程（2课时） 课堂类型： R新课 □复习课 □习题课 □实验课 □试卷讲评课 □其他： 学习者 分析 本节课的授课对象为高二（1）（2）班学生，在学本节课之前，学生已经学过了传统发酵技术的应用、微生物的培养技术及应用等内容。对发酵原理、传统发酵食品的制作、微生物的基本培养技术以及微生物的选择培养和计数等都有了一定的学习和掌握，并且具有一定的归纳概括、概念拓展、设计或分析研究方案的能力。但由于我校缺乏和发酵工厂的联系，学生在真实体会发酵工程方面可能会有所欠缺，教师需要结合多种适当的教学手段达到对学生工程思维、技术思维的培养。 教学目标 与本节内容对应的课程标准的“内容要求”是：阐明发酵工程利用现代技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品；举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。对应的“学业要求”包括：结合生活或生产实例，举例说出发酵工程及其相关技术的基本原理。 结合教材内容及学生的实际情况，确定本节的教学目标如下： 1、 通过分析现代工业发酵的原理、它与传统发酵技术的区别及其用到的现代化的工程技术，建构发酵工程的概念。 2、 基于视频及流程图填写，概述发酵工程的基本环节 3、 学生展示，搜集资料汇报说明发酵工程在生产上重要的应用价值，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品。 教学重点 发酵工程的基本环节、发酵工程的应用 落实教学重点的方法： 通过视频播放和流程图填写，使学生能概述酵工程的基本环节；通过学生分组合作搜集资料进行展示，能加深他们对发酵工程在生产上重要的应用的了解。 教学难点 发酵工程的基本环节 突破教学难点的方法： 通过视频播放和流程图填写，使学生能概述酵工程的基本环节 教学资源 选择 教师用书、教材、题单、导学案 技术手段的使用： 电子白板、板书、多媒体 课时： 2课时 核心问题 什么是发酵工程？发酵工程的一般流程是什么？发酵工程在生产上有哪些重要的价值？ 教学过程设计 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 回顾旧知，导入新课 前面学习了微生物的培养技术及应用，通过对该内容的学习我们已经知道该技术可以推动传统发酵技术走向工业生产。我们回顾几个简单的问题巩固一下前面的内容： 1、 腐乳、果酒果醋、泡菜的制作涉及到哪些微生物发酵？其代谢类型是什么？发酵原理是什么？ 2、 微生物接种的方法有哪些？ 3、 微生物计数的方法有哪些？ 4、 实验室里培养微生物的关键是什么？ 5、 培养基的营养成分有些什么？ 6、 如何筛选可以分解尿素的微生物？如何判断选择培养基起到了选择作用？怎么判断培养基是否灭菌彻底？ 7、 平板划线法和稀释涂布平板法的接种工具分别是什么？ 教师抽学生回答以上问题并进行简单点评。 相信很多同学都知道有一种用于临床的抗生素——，非常出名，青霉素，它当时挽救了大量由于一站二战战争中造成创面受伤感染而死的生命，青霉素的发现其实是由弗莱明这一科学家在一次偶然实验中发现的，它发现在一株霉菌的周围长了一圈透明圈，这个培养基里面本来是培养的葡萄球菌，葡萄球菌实际上就是引起创面受伤感染而死的主要细菌之一，由于霉菌的存在，周围的葡萄球菌竟然消失啦，通过显微镜观察发现了这样一个特点，然后他将霉菌中能够杀灭葡萄球菌的物质起名叫做青霉素，毕竟是霉菌产生的嘛。由于前期的青霉素只能由青霉菌产生，而且提取量也非常少，所以真正能用上的人很少，因为太昂贵了。但是随着发酵工程的发展和兴起，现在大概1瓶规格160万的青霉素注射剂只需要一块钱。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 随着人们对发酵原理的认识，加之微生物纯培养技术的建立和密闭式发酵罐的成功设计，使得人们能在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程应运而生。 教师播放青霉素工业发酵生产的流程视频。 根据该视频大家思考一下发酵工程的基本环节是什么呢？ 教师通过回顾旧知，巩固学生对重难知识点的掌握和记忆。 结合生活中常见的药物青霉素进行导入，结合历史材料激发学生的学习兴趣，同时也认同科学发展的道路是无止境的。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 发酵工程的基本环节是什么？ 结合教材上给出的流程我们知道，发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。 （一）菌种的选育 发酵工程的第一步就是要选出我们需要的微生物，也就是菌种的选育。菌种的选育途径有三种，一是可以直接从自然界中筛选出来，比如我们前面学习的筛选土壤中分解尿素的细菌；二是可以使用一些射线处理微生物，使得其中的DNA发生基因突变，比如青霉菌产生的青霉素本来是很少很少的，但是由于人类使用各种诱变的手段偶然得到了能够高产青霉素的突变菌株，当然这种方法主要是看运气，因为大部分基因突变都是多害少利性的，这种方法称为诱变育种。还有一种可通过基因工程，我们会学，具体的方法就是讲我们需要的性状的基因导入到微生物的DNA中进行表达，就可以得到我们想要的产物。 比如生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉，柠檬酸是一种用得非常广泛的食品添加剂，主要用于调节食品酸度；在啤酒生产中，使用基因工程改造的酿酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期；还有我们平时吃的味精，其中的主要物质谷氨酸就需要用到谷氨酸棒状杆菌。 这里还需要要注意的是不要混淆诱变育种和基因工程，尤其是诱变育种和基因工程的原理是不一样的。 旁栏思考：某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。而优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。 （2） 扩大培养 工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，应该怎么办？——需要大量菌体，因此需要进行扩大培养。教师展示图片：发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米VS细菌多为几微米。由此可见，如果要进行扩大培养，应该用什么物理性质的培养基？——液体培养基。 既然要用液体培养基进行扩大培养，那就需要进行培养基的配制。 （三）配制培养基 配制培养基的时候要①根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基；②配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。一般来说，大多微生物所需要的培养基营养成分是差不多的，你还记得有哪些吗？——水、无机盐、碳源、氮源，还可能需要加入生长因子，还要控制PH以及氧气的需求。 （四）灭菌 和我们前面学习的微生物培养一样的，在接种之前都必须对培养基进行灭菌，加之发酵工程中所用的菌种大多都是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，我们除了要对培养基灭菌以外，还需要对发酵设备进行严格的灭菌。 例如：在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。 （5） 接种 可能有的同学跟着家长一起出去的时候会看到精酿啤酒屋中的这种自酿的啤酒，也都是通过这种发酵罐进行发酵的，我们刚刚扩大培养得到的菌种接种到发酵罐中就可以进行发酵了。发酵罐的结构从外面看好像就只是一个普通的罐子，但其实内部的一些设计还是很精细的。 （6） 发酵管内发酵 将目的菌种接种到发酵罐中进行发酵是发酵工程的中心环节。 1、 要求： （1） 在发酵过程中，需要随时检测培养液中的微生物数量和产物浓度等，以了解发酵的进程； （2） 除此以外，还需要及时添加一些必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。严格控制发酵条件的原因是：①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。 2、不同发酵条件的影响实例：——谷氨酸发酵 比如：在谷氨酸的发酵生产中，我们刚刚讲到谷氨酸是味精的主要成分，谷氨酸发酵的微生物是谷氨酸棒状杆菌，是一种细菌，原核生物，代谢类型是 异养需氧型，与有氧呼吸有关的酶主要位于细胞膜上。【细菌有氧呼吸的酶分布在细胞膜的内表面，有氧呼吸也在细胞膜上进行，光合细菌的光合酶也与细胞膜结合，主要在细胞膜上。】 ①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸； ②在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺； 3、现代发酵工程使用的发酵罐的优点： 均有计算机，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制，还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 4、发酵条件及相应的调节和控制方法： 发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等：①温度：可通过向冷却夹层通入冷水；【温度升高的原因： A、微生物分解有机物释放的能量，会引起发酵温度升高； B、机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。】②pH：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： 培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。】③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。厌氧型：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。 （7） 分离、提纯产物 ①如果发酵产品是微生物细胞本身，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如微生物菌剂。 ②如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。比如酱油、啤酒等。 （八）获得产品 这就是发酵工程的基本环节，针对以上八个环节我们思考几个问题： 1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？ ——①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；②生产所需代谢物的产量高； ③发酵条件易控制；④菌种不易变异，退化等。 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ ——要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严：格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养成分。比如： ①反复试验确定培养基的配方； ②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌； ③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等； ④及时添加必需的营养组分； ⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制 3、在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而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、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品 4.在进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗?为什么？ 不能；因为在进行发酵生产时，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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。 【即时训练】 1.发酵工程的正确操作过程是（ B ） 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.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是（ C ） A.菌种选育是发酵工程的中心环节 B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成 D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是不影响微生物的代谢途径 结合实例讲解发酵工程中选育菌种的方法，加深学生的印象和对所学知识的掌握。 列表简单比较诱变育种和基因工程，旨在引导学生建构知识网络，理解理论知识及其应用。 问题引导学生思考，形成生物与环境相适应的生命观念，理解菌种选育的思路。 回顾旧知，加深印象，将前后知识点联系。 发酵管内发酵是发酵工程基本环节较难的内容，教师结合图片讲解可加深学生的理解。 通过完成思考与讨论部分的问题，培养学生迁移应用、能够运用所学内容做出正确决策的能力。 即时训练即时评价。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 发酵工程在生产上有哪些重要的价值？ 结合刚刚的分析，思考发酵工程相比传统发酵技术，有什么优点？ ① 生产条件温和； ② 原料来源丰富且价格低廉； ③ 产物专一； ④ 废弃物对环境的污染小和容易处理； 正是因为这些优点的存在，发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域都得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。请以小组为单位进行思考并总结发酵工程的应用，并简单举出实例： （一）在食品工业上的应用 1、生产传统的发酵产品。 传统发酵产品比如果酒果醋以及腐乳等等都存在很多问题，发酵工程的出现解决了这些问题，比如以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的黑曲霉，将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制成酱油产品。以及以谷物或水果为原料，利用酿酒酵母发酵生产各种酒类，发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。 2、生产各种各样的食品添加剂。 其实很多人印象中的食品添加剂都是些有害化学物质，但其实并不是这样的，食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。比如你们有时候喝的苏打水，像屈臣氏的蜜桃汁苏打水中就加有一些食品添加剂，柠檬酸，在刚刚的菌种选育环节我们已经讲过柠檬酸是一种非常常见的食品酸度调节剂，可通过黑曲霉发酵得到；以及谷氨酸棒状杆菌可以发酵得到味精的原料谷氨酸。 除此以外，我们可以简单知道一下除了柠檬酸和味精以外的其他常见食品添加剂： 3、生产酶制剂。 除此以外，发酵工程还可用于发酵生产一些酶制剂，比如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等，可用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。 比如我们自己榨果汁常常会有出汁率低、澄清度低等问题，在生产中常常会通过加入果胶酶来解决该问题。 我们以啤酒的工业化生产流程为例分析学习一下发酵工程在食品工业上的应用。学生阅读教材，回答下列关于生产流程的概述： （二）在医药工业上的应用 青霉素的发现和工业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。比如 1、采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物，①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素；②利用基因工程改造的微生物生产疫苗。将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。如某种乙型肝炎疫苗的生产。③未来利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物； 2、直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。如：青霉素高产菌株的培育 （三）在农牧业上的应用 （四）在其他方面的应用 1、解决资源短缺与环境污染问题：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 ①极端微生物：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们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。 ②举例：嗜热菌、嗜盐菌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。 通过比较传统发酵技术和发酵工程，认同发酵工程是人类智慧的结晶，认同生物学的实践应用。 以小组为单位对发酵工程的应用进行讨论分析和分享，培养学生的合作学习能力、阅读教材获取信息以及表达能力。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 课堂小结 通过对比分析发酵工程和传统发酵技术加深学生对本章节内容的印象和理解。 作业布置 导学案、教材课后练习 教学反思 成功与精彩： 归因分析： 缺憾与不足： 改进计划： 板书设计： 学科网（北京）股份有限公司 $