高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用教学设计

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用教学设计，共6页。教案主要包含了教学目标，教学重难点，教学思路，教学过程，板书设计等内容，欢迎下载使用。

1.建构发酵工程的概念。
2.概述发酵工程的基本环节，举例说明发酵工程的应用。
3.通过开展“高中生模拟创业答辩会”活动，进一步提升对发酵工程基本环节的认识，发展工程思维，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品。
4.关注发酵工程在食品、医药、农牧业的应用，倡导健康、安全地生活和生产。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。
2.教学难点
（1）发酵工程的基本环节。
三、教学思路
本节课从发酵工程的概念入手，组织学生深入学习发酵工程的基本环节，进而了解发酵工程的应用，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品，丰富了人类的饮食需求。
四、教学过程
【新课导入】
教师利用教材中的“从社会中来”的素材，明确青霉素的成产成本和价格会因为发酵工程的应用而大大降低，引发学生追问发酵工程的奥秘，进而探讨“在工业生，青霉素究竟是怎样生产的呢”，由此，归纳出发酵工程的概念。
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，青霉素究竟是怎样生产的呢？
总结发酵工程的概念：
发酵工程：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。
【新课讲授】
（一）发酵工程的基本环节
教师让学生提前选取自己感兴趣的发酵产品，画出利用发酵工程生产该产品的流程图，并在课堂上进行展示和说明。教师结合教材中介绍发酵工程基本环节的内容，结合图1-9，分析和讨论教材第23页的“思考·讨论”。
展示发酵工程的基本环节和发酵罐示意图：
思考与讨论：
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？
（若生产的是微生物直接合成的产物，则可以从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程菌，从而达到生产相应产品的目的，同时还应注意温度、pH、溶解氧等对菌种的影响）。
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？
（发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等。温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷水来调控；pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；溶解氧的调控需根据微生物的代谢类型，若微生物是需氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。若微生物是厌氧型的，需封闭空气入口，建立厌氧环境等）。
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？
（传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。发酵工程的发酵产物根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法，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，这些都可能会污染环境，对人体健康造成危害，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。）
通过探讨教材中的问题，教师带领学生分析和完善自己画的流程图，并在这个过程中认识到工程的复杂性，掌握系统分析的方法。
（二）发酵工程的应用
发酵工程以其生产条件温和，原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广大应用，形成了规模庞大的发酵工业。
教师利用课件展示发酵工程在食品工业上的各个应用，并以啤酒为例，展示“啤酒的工业化生产流程”，学生小组在观看完啤酒的生产化流程后，小组之间互相讨论教材中第25页的问题。
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
思考与讨论：
1.与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
（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，都有助于提高啤酒的产量和品质）。
2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
（应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题）
在了解啤酒的工业化流程后，教师指导学生自我阅读教材的26-27页，并归纳出发酵工程在其他工业上的应用情况，并以小组为单位，讲述本组的归纳，教师给予肯定和评价，并在课件中展示出发酵工程在各个工业中的应用，让学生认同发酵工程为人类生活提供了多样的生物产品，改善了人类的生活。
归纳梳理：
1.在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
实例：
①以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉），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、调制成的酱油产品。
②以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产的各种酒类。
2.在医药工业上的应用
（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。
（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。
（3）实例：
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；
③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。
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料。利用了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，促进植物生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以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。与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。微生物农药作为生物防治的重要手段。
实例：苏云金杆菌→防治80多种农林虫害。白僵菌→防治玉米螟、松毛虫等虫害。井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素）→防治水稻枯纹病。
（3）生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质，且生长繁殖速度很快。
实例：①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，通过发酵获得了大量的微生物菌体。单细胞蛋白的应用：食品添加剂、微生物饲料等。②乳酸菌：在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
4.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
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（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。例如嗜热菌、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。
五、板书设计
1.3 发酵工程的应用
一、发酵工程的基本环节
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
2.在医药工业上的应用
3.在农牧业上的应用
4.在其他方面的应用