1.3發(fā)酵工程及其應用教學設計-2023-2024學年高二下學期生物人教版選擇性必修3

1.3發(fā)酵工程及其應用教學設計1.3發(fā)酵工程及其應用（第一課時）融入職業(yè)發(fā)酵工程制藥工（課本21頁）教材版本人教版選擇性必修三《生物技術(shù)與工程》課型新授課復習課□學科實踐活動課□其他□融合方式發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)等內(nèi)容是一名發(fā)酵工程制藥工必須掌握，發(fā)酵工程的應用也是發(fā)酵工程制藥工可能的工作方向，所以本節(jié)課的知識內(nèi)容本身就是了解發(fā)酵工程制藥工這份職業(yè)最核心的內(nèi)容。在學完核心知識內(nèi)容之后，再綜合介紹這份職業(yè)需要的職業(yè)背景、就業(yè)單位、職業(yè)發(fā)展前景、需要掌握的技能要求及其工資待遇等信息，再以一個公司的真實招聘信息來感受招聘細節(jié)要求，最后觀看一個介紹該職業(yè)的視頻。1.教學內(nèi)容分析本章節(jié)內(nèi)容對應人教版選擇性必修3第13章，主要介紹了發(fā)酵工程及其應用。本章首先介紹了發(fā)酵工程的定義和基本過程，然后詳細介紹了各種發(fā)酵工程的應用，包括食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、生物化工等領(lǐng)域的應用。此外，本章還介紹了發(fā)酵工程在環(huán)境保護、能源開發(fā)等方面的應用。2.教學目標1.理解發(fā)酵工程的定義和基本過程：學生能夠明確發(fā)酵工程的含義，并掌握其基本過程，例如微生物的培養(yǎng)、發(fā)酵條件的控制、產(chǎn)品的提取和純化等。2.掌握發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、生物化工、環(huán)境保護和能源開發(fā)中的應用。3.通過了解發(fā)酵工程制藥工這個職業(yè)，發(fā)展一定的職業(yè)意識。3.教學重難點重點：發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)，發(fā)酵工程的應用。難點：發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。4.教學過程【新課導入】從社會中來展示青霉素圖片，介紹青霉素發(fā)現(xiàn)過程：亞歷山大·弗萊明（AlexanderFleming），英國微生物學家（1881.8.61955.3.11），二戰(zhàn)”期間，青霉素成為戰(zhàn)場上神奇的抗生素，大顯神威，挽救了數(shù)以萬計的生命，被稱為“有魔力的子彈”。1945年諾貝爾生理學醫(yī)學獎。青霉菌中提取青霉素少，隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素進入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。提出問題：工業(yè)上，如何利用發(fā)酵工程生產(chǎn)青霉素？提出發(fā)酵工程的概念？了解青霉素的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展史，提出問題：工業(yè)上如何利用發(fā)酵工程生產(chǎn)青霉素?通過青霉素的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，激發(fā)學生對發(fā)酵興趣，展開課題。【新課講解】發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)教師讓學生提前選取自己感興趣的發(fā)酵產(chǎn)品，畫出利用發(fā)酵工程生產(chǎn)該產(chǎn)品的流程圖，并在課堂上進行展示和說明。教師結(jié)合教材中介紹發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)的內(nèi)容，結(jié)合圖19，分析和討論教材第23頁的“思考·討論”1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？（若生產(chǎn)的是微生物直接合成的產(chǎn)物，則可以從自然界中先分離出相應菌種，再用物理或化學方法誘變育種，從突變個體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。若生產(chǎn)的是微生物不能合成的產(chǎn)品，則可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構(gòu)建工程菌，從而達到生產(chǎn)相應產(chǎn)品的目的，同時還應注意溫度、pH、溶解氧等對菌種的影響）2.怎樣對發(fā)酵條件進行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？（發(fā)酵條件直接會影響微生物的生長和發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量，發(fā)酵條件包括溫度、pH、溶解氧、通氣量等。溫度條件的調(diào)控可通過向冷卻夾層通入冷水來調(diào)控；pH條件的調(diào)控可在培養(yǎng)基中加入緩沖液，在發(fā)酵過程中加酸或堿；溶解氧的調(diào)控需根據(jù)微生物的代謝類型，若微生物是需氧型的，可通過空氣入口通入空氣，并調(diào)整攪拌葉輪轉(zhuǎn)速增加溶解氧。若微生物是厭氧型的，需封閉空氣入口，建立厭氧環(huán)境等）3.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進之處？（傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的發(fā)酵產(chǎn)物不是單一的組分，而是成分復雜的混合物，基本沒有經(jīng)過產(chǎn)物分離和提純等步驟。發(fā)酵工程的發(fā)酵產(chǎn)物根據(jù)產(chǎn)物的種類采取不同的分離、提純方法，若發(fā)酵產(chǎn)物是微生物細胞本身，則采用過濾、沉淀等方法將菌體分離、提純；若發(fā)酵產(chǎn)物是代謝物，則根據(jù)代謝物性質(zhì)采用蒸餾、萃取、離子交換等方法分離、提純）4.在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？（不能，發(fā)酵生產(chǎn)時，排出的氣體可能含有有毒氣體，廢棄培養(yǎng)液可能含有有毒物質(zhì)，這些都可能會污染環(huán)境，對人體健康造成危害，此外，廢棄培養(yǎng)液中的微生物也可能會污染水體、感染人體。因此，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等需經(jīng)檢測、處理后才能排到外界環(huán)境中）通過探討教材中的問題，教師帶領(lǐng)學生分析和完善自己畫的流程圖，并在這個過程中認識到工程的復雜性，掌握系統(tǒng)分析的方法發(fā)酵工程的應用1、在食品工業(yè)上的應用（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品①實例1——生產(chǎn)醬油②實例2——釀酒（2）生產(chǎn)食品添加劑①食品添加劑優(yōu)點增加食物的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長食品的保存期②實例1——檸檬酸檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑；可以通過黑曲霉的有氧發(fā)酵制得；③實例2——味精谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制成味精；由谷氨酸棒狀桿菌經(jīng)有氧發(fā)酵可以得到谷氨酸；（3）生產(chǎn)酶制劑①常見酶制劑α淀粉酶、β淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶②酶制劑應用食品的直接生產(chǎn)、改進生產(chǎn)工藝、簡化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長食品儲存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等；③酶制劑來源少數(shù)由動植物生產(chǎn)；絕大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產(chǎn)；啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程：原料：大麥、酵母菌過程：1）發(fā)芽：大麥種子釋放淀粉酶2）焙烤：加熱殺死種子胚，但不使淀粉酶失活，減少胚發(fā)育時有機物的消耗3）碾磨：使麥芽磨碎，便于糖化4）糖化：在淀粉酶的作用下，分解淀粉形成葡萄糖5）蒸煮：加入啤酒花這種植物，改良啤酒風味、質(zhì)量和防腐，同時高溫滅菌、終止酶的進一步作用6）發(fā)酵：冷卻后，加入酵母菌進行發(fā)酵，發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段，主發(fā)酵完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成；后發(fā)酵階段需要低溫、密閉，以使二氧化碳溶于啤酒中。7）消毒：殺死大多數(shù)微生物，但不是全部，因此，啤酒有保質(zhì)期8）終止：過濾、調(diào)節(jié)、分裝啤酒出售思考、討論：1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在上面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高?菌種的選育；對原材料的處理；發(fā)酵過程的控制；產(chǎn)品的消毒等2.“精釀”啤酒與“工業(yè)”啤酒的區(qū)別是什么？2、在醫(yī)藥工業(yè)上的應用（1）采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物（2）直接對菌種進行改造，再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品，例如利用微生物生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前體等化合物。（3）將病原體的某個或某幾個抗原基因轉(zhuǎn)入適當?shù)奈⑸锛毎@得的表達產(chǎn)物就可以作為疫苗使用，例如乙型肝炎疫苗就是將乙肝病毒的抗原基因轉(zhuǎn)入酵母菌，再發(fā)酵生產(chǎn)。3、在農(nóng)牧業(yè)上的應用（1）生產(chǎn)微生物肥料①微生物肥料的種類根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等來增進土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植株生長；有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發(fā)生.（2）生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用利用微生物或其代謝物來防治病蟲害②防治類型：生物防治（3）生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且繁殖速度快②實例1——單細胞蛋白許多國家以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白；單細胞蛋白應用——食品添加劑、微生物飼料；③實例2乳酸菌在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。4、在其他方面的應用（1）解決資源短缺與環(huán)境污染問題隨著對纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)已取得成功（2）將極端微生物應用于生產(chǎn)實踐自然界中還存在著一定數(shù)量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環(huán)境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活。例如嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產(chǎn)洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量?！景l(fā)酵工程制藥工職業(yè)介紹】教育背景：1.生物工程、生物技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的學士學位。2.碩士或博士學位在相關(guān)領(lǐng)域會更有優(yōu)勢，特別是在發(fā)酵工程或制藥科學方面。3.了解微生物學、生物化學、分子生物學、細胞生物學等基礎知識。4.掌握發(fā)酵過程控制、生物反應器操作、產(chǎn)品質(zhì)量控制等專業(yè)知識。技能要求：1.熟練掌握實驗室技術(shù)，包括微生物培養(yǎng)、細胞培養(yǎng)、蛋白質(zhì)純化等。2.能夠使用各種分析儀器，如高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜（GC）、質(zhì)譜（MS）等。3.精通發(fā)酵工藝設計、優(yōu)化和放大。4.具備良好的數(shù)據(jù)分析能力和統(tǒng)計學知識。5.能夠進行項目管理和團隊協(xié)作。6.了解藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）和相關(guān)法規(guī)。7.良好的溝通能力和英語讀寫能力，以便閱讀專業(yè)文獻和國際交流。職業(yè)發(fā)展路徑：1.初級階段：作為實驗室技術(shù)員或助理研究員，參與基礎的發(fā)酵實驗和數(shù)據(jù)分析。2.中級階段：擔任項目經(jīng)理或高級研究員，負責特定項目的研發(fā)和管理。3.高級階段：成為研發(fā)部門的負責人或技術(shù)總監(jiān)，指導多個項目并進行戰(zhàn)略規(guī)劃。4.行業(yè)專家：在積累了豐富的經(jīng)驗后，可以成為行業(yè)內(nèi)的專家，參與制定行業(yè)標準或進行技術(shù)咨詢。5.創(chuàng)業(yè)或轉(zhuǎn)行：具備一定經(jīng)驗和資源后，可以考慮創(chuàng)業(yè)或轉(zhuǎn)行至相關(guān)領(lǐng)域，如生物技術(shù)咨詢、投資等。就業(yè)單位和可能的工作內(nèi)容：就業(yè)方向豐富多樣。他們可加入制藥行業(yè)，利用發(fā)酵技術(shù)參與藥物的生產(chǎn)與開發(fā)；或進入生物技術(shù)領(lǐng)域，