2019-2020年高中生物发酵工程简介教案旧人教选修.doc

2019-2020年高中生物发酵工程简介教案旧人教选修教学目标知识目标识记：1.发酵工程的概念和内容。2.发酵工程在医药工业和食品工业中的应用。能力目标1.通过让学生收集发酵工程的相关资料，培养学生获取、分析与处理信息的能力，提高其自学的能力。2.通过小组合作、课题研究学习的形式，培养学生的表达能力、交往能力和团结协作能力。情感目标1.通过发酵工程的相关信息资料的收集，培养学生的科学社会技术（STS）的观点。2.通过收集发酵工程的相关资料以及走访学校周边地区现代化发酵工业企业（如啤酒生产企业、抗生素制药企业等）的过程，提高学生的科学生物学素养，以及利用所学知识进行科学决策的能力。3.通过学生自学教材中提供的“发酵过程的发展简史”课外读知识，让学生感悟科学技术是在不断进步的这一辩证唯物主义的观点。重点落实方案重点发酵工程的概念和内容。落实方案1.对于发酵工程概念的学习，是建立在谷氨酸发酵的生产实例上，依照从感性上升到理性的认知规律，结合如抗生素发酵工程、乳酸发酵工程、生产酵母菌细胞体的发酵工程等生产实例，引导学生自行分析，得出发酵工程概念。2.有条件的学校,可以通过参观、走访学校周边的现代化发酵工业企业，使学生对发酵工程的内容有一个感性的认识。3.在教学过程中，可采用自制的多媒体课件，采用文字、图片、多媒体动画等手段，引导学生一起分析、总结发酵过程的具体内容。难点突破策略难点发酵过程中，如何在较长时间内保证菌种的生长和代谢的正常进行。突破策略1.采用问题解决的策略，引导学生回忆影响微生物生长的环境因素，为该难点的突破奠定基础。2.请学生回忆恒定容积中微生物群体生长规律的模式图，并简述各个时期微生物群体的数目、形态结构、代谢产物等特征，分析环境因素间对微生物发酵过程的影响。3.利用自制的多媒体课件，分别模拟谷氨酸发酵、酒精发酵、乳酸发酵三种不同发酵模式，分析如何根据不同的微生物的代谢特征、发酵目的来控制发酵条件，从而达到在较长时间内保证菌种的生长和代谢正常进行的目的。教具准备自制发酵罐的结构示意图、发酵工程生产产品流程简图等投影片、自制“发酵工程”的多媒体课件。学法指导1.本节内容与前面各章、节知识之间有着密切的联系，在教学过程中学生可以对相关知识进行整理。2.本节内容与社会生活、生产实践具有密切的联系，学习过程中学生可以通过收集资料、参观工厂等多种方式提高对发酵工程的感性认识，提升自己的科学的生物学素养。3.学生应该参与到研究性学习过程中去，以培养自身的科学研究能力与意识。教法探讨1.“发酵工程”一节在教材体系上隶属于“生物工程技术发展促进人类文明进步”体系，因而总体上应促使学习者在情感、态度和价值观方面的发展，所以建议采用参观、课题研究以及课题报告交流、基于网络环境的多媒体自主学习等多种教学手段，达成教学目标。2.对于“应用发酵工程的生产实例、发酵工程的概念与内容”部分内容，可以采用指导教学为主的教学传递程序，同时以多媒体手段辅助教学，以提高教学效率；而对于“发酵工程的应用”这一部分内容，我们可以通过课题研究、合作学习的教学模式展开教学，以提高学生的信息素养、课题研究能力、交往能力等综合素养。课时安排2课时第一课时教学过程导课媒体呈示信息：利用投影向学生简单介绍发酵工程发展历史上几个关键的时期（主要目的是让学生初步了解发酵技术的发展过程，理解生物科技的发展是人类共同的结晶，并不需要详细介绍材料中的每一项技术）：（1）1857年法国生物学家巴斯德通过实验证明，酒的发酵是由活的酵母引起的。（2）1897年德国科赫通过实验证明酶对发酵的作用，从此人类对发酵的本质才开始有了认识。（3）1940年后，人们通过发酵技术进行深入研究，开始改变传统的微生物固体表面培养的发酵技术，采用液体深层培养。利用发酵罐技术，再配以离心、萃取和冷冻干燥等技术，使青霉素的发酵水平大大提高了。（4）70年代后，随着基因工程的发展，开始在发酵工程中利用工程菌大规模生产胰岛素、干扰素、白细胞介素和多种细胞生长因子等产品。同一时代开始，技术人员开始采用细胞融合技术，将分类学上亲源关系较远的生物体细胞进行杂交，改善工业微生物的性能，提高发酵工程的生产能力。教师分析：通过以上信息，我们认为，科学技术是不断发展的，并且始终朝向有益于人类文明、进步的方向发展；发酵工程的发展，离不开许多伟大的科学家，更离不开许许多多默默无闻的科技工作者，是他们共同推动了这项事业的发展；发酵工程的发展，是生物学、化学、工程学，甚至是经济学共同的产物；发酵工程的发展，不仅改变了传统的工业生产模式，也正影响着我们的生活。教师提问：什么是发酵工程？应用发酵工程能够生产哪些产品呢？发酵工程的主要内容是什么呢？发酵工程可以应用于哪些领域？课题提出：我们可以通过本节内容发酵工程的简介的学习来初步了解这些问题。教师分析：为了首先让我们对发酵工程有一个感性认识，我们首先来研究一个应用发酵工程的生产实例谷氨酸发酵。教学目标达成一、应用发酵工程的生产实例谷氨酸发酵教师讲述：美味的菜肴可能始终离不开味精，你知道味精是怎样生产出来的呢？学生活动：阅读教材P97，思考上述问题。师生互动：教师打开多媒体课件，利用多媒体技术，呈现学习信息，并对相关的问题作必要的分析；学生注意对课件中提供的信息的观察与分析，并作必要的摘录，媒体提供的信息主要引导学生了解以下问题：（1）谷氨酸发酵技术经历了怎样的发展过程？（2）常用的谷氨酸产生菌的种类及代谢特点。（3）用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的一般过程以及需要注意的问题是什么？（4）获得谷氨酸后，如何对产品进行后期加工以获得味精？学生活动：根据对多媒体信息的观察以及各自的理解，分小组讨论。教师提问：谷氨酸发酵工程的产生菌主要有哪些？其代谢的主要特征是什么？小组代表回答：谷氨酸发酵工程的产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等，其中，谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，适宜温度为3037,适宜pH为78。教师提问：通过上述信息，结合我们已有的知识，请你谈谈谷氨酸发酵中，所采用的培养基的成分及其作用？小组代表回答：该培养基为天然培养基，主要成分有：豆饼水解液（主要作为碳源），同时又作为谷氨酸棒状杆菌的主要能源物质；玉米浆（同时作为碳源、氮源）；尿素（遇水水解成为（NH4）2CO3，作为微生物的氮源，同时也可以调节培养基中的pH）；KH2PO4、K2O、MgSO2（作为无机盐）；生物素（生物素作为谷氨酸棒状杆菌的生长因子，当其量少时，菌种生长十分缓慢，量多时，则转变为乳酸发酵）；H2O。教师提问：在微生物的营养中，我们已经知道培养基的物理性质对发酵过程有较大的影响。那么，请你谈谈谷氨酸发酵中采用的培养基的物理性质、发酵主要技术及其优点。小组代表回答：学生培养基呈液态，又称作培养液；生产谷氨酸的发酵技术为液体深层通气发酵技术；其优点是营养物质分布均匀，与菌体表面接触充分，能大量溶解微生物的代谢产物，尽量延长稳定期。教师提问：请你简单叙述一下谷氨酸发酵生产的一般过程。学生阅读教材P97P98，讨论：略。教师总结：首先，我们需要获得高产量的菌株；而后，需要根据微生物的代谢特征，配制合适的培养基；为了避免其他微生物的影响，我们需要对培养基以及发酵罐及其他器具灭菌；然后在无菌条件下，把菌种加入到培养基；我们需要根据谷氨酸产生菌的代谢特征，控制培养基的理化性质，尽量延长菌群的稳定期，以获得更多的代谢产物；最后，将谷氨酸从培养液中分离出来，进行产品的后期处理。教师提问：我们知道，环境中的一些非生物因素对谷氨酸发酵具有一定的影响。请你谈谈可能影响谷氨酸棒状杆菌的谷氨酸发酵过程的因素？学生回答：主要有O2、温度、pH以及无机盐。教师进一步提问，使问题深入：那么这些因素为什么会影响发酵的过程呢？从提高发酵产物的质量与数量角度出发，我们该如何控制这些因素呢，请你谈谈自己的观点。学生讨论：略。教师补充、总结：O2：谷氨酸棒状杆菌等谷氨酸产生菌是好氧菌，因此，发酵过程中通入无菌空气并加以搅拌，不仅加速了谷氨酸棒状杆菌等谷氨酸产生菌的生长繁殖速率，最主要的是可以延长发酵周期，提高谷氨酸的累积量。因而，在发酵过程中，尤其是群体生长的稳定期，加大无菌空气的通入量，并通过加速搅拌来增加发酵液中的溶氧量，有利于代谢产物的合成与累积。温度：谷氨酸棒状杆菌的最适生长温度为3037；当培养基中谷氨酸棒状杆菌群体生长到稳定期时，适当地提高温度将有利于谷氨酸的合成，因而，在发酵工程实际操作中，一般把稳定期的温度控制在3437。pH：谷氨酸棒状杆菌的最适pH为78，但随着发酵过程中，谷氨酸棒状杆菌对于营养物质的吸收利用、代谢产物的积累，培养基中的pH会不断发生变化，需要进行调节；一般通过发酵罐的pH检测及控制装置自动调节、控制，特殊情况下，可以通过在培养基中加入缓冲对的方法来调节pH。无机盐：无机盐，尤其是PO是谷氨酸发酵过程所必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。教师提问：如何从培养液中获取谷氨酸？谷氨酸产品有哪些用途？如何对获得的产品进行后期加工？学生回答：略。过渡：通过谷氨酸发酵工程的学习，我们已经对发酵工程有了一个比较感性的认识，一般意义上的发酵工程的概念究竟是什么呢？二、发酵工程的概念和内容1.发酵工程的概念师生互动：教师引导学生结合上面的实例，根据基因工程、细胞工程等概念，自主总结发酵工程的概念。总结：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。教师提问：发酵工程的主要内容是什么呢？2.发酵工程的内容学生回答：菌种的选育、培养基配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程、产品的分离提纯等方面。师生互动：教师打开多媒体课件，呈示发酵工程内容的一般模式的流程图，即培养基的配制菌种选育灭菌扩大培养和接种发酵过程产品的分离提纯；然后，在每一个步骤上建立相应的超级链接，分别采用录像资料、文字结合图片、多媒体动画等手段，引导学生一起分析、总结发酵过程的具体内容。（1）菌种的选育媒体信息：采用图片结合文字解释的手段，对发酵工程中菌种选育技术的发展历程、主要技术进行概述。教师分析：菌种的选育是发酵工程的首要问题，要想获得在种类、质量与产量等方面均符合人们要求的产品，选育出具有优良性状的菌种是关键。人类对于菌种的选育技术正在不断发展，从直接从自然界选育，发展为通过诱变育种获得优良菌种，一直到今天通过生物工程技术，主动选育优良性状的菌种。通过构建一些工程细胞、工程菌，再利用发酵工程进行发酵，可以生产出一般微生物所不能生产的产品。教师引导：我们不妨对诱变育种等三种菌种培育方式，从技术方式、优点以及不足等方面进行比较。（2）培养基的配制媒体信息：结合以获得酒精与以获得酵母菌细胞体为生产目的的两种类型的发酵模式的对比，采用数据表结合文字、图片的方法，对生产中，如何根据实际情况，配制培养基进行分析。复习提问：培养基配制的主要原则是什么？在实践中该如何操作？学生回答：略。教师提问：假如你是一名技术人员，你能否谈谈以下发酵工程中培养基的配制方法呢？以获得硝化细菌细胞体为目的的发酵工程；以获得乳酸为发酵目的的发酵工程；以获得赖氨酸为目的的发酵工程；以获得自生固氮菌细胞体为目的的发酵工程。学生回答：略。（3）培养基、生产设备等的灭菌媒体信息：首先，利用Flash动画，模拟种间关系中的竞争关系函数变化图；接着，利用动画模拟结合图片、数据的方法，演示在青霉素发酵工程中，由于混入杂菌而导致产量降低的现象及其原理。学生活动：观察媒体信息，阅读教材P99。总结：发酵工程所用的菌种是单一的纯种，整个发酵过程不能混入其他微生物(一般称之为杂菌)，否则将导致产量下降，甚至得不到产品。（4）菌种的扩大培养、接种媒体信息：利用视频结合音频的手段，提供一组菌种的扩大培养与接种的技术。教师活动：引导学生观察，并指出其中的关键要领。（有条件的学校可以让学生直接实验操作，以加强操作技能的锻炼。）总结：一般在扩大培养前，需对菌种进行分离纯化，分离纯化的技术有：（5）发酵过程发酵的中心阶段教师提问：请你画出恒定容积中微生物群体生长规律的曲线图，并简述各个时期微生物群体的数目、形态结构、代谢产物等特征。你能否就环境因素对微生物发酵过程的影响进行简单分析呢？多媒体信息：利用动画模拟谷氨酸发酵、酒精发酵、乳酸发酵三种不同发酵模式，教师引导学生观察实际生产中是如何根据不同的微生物的代谢特征、发酵目的来控制发酵条件，从而在较长时间内保证菌种的生长和代谢的正常进行的。教师分析：发酵过程的关键是培养液的检测、向培养基添加必要的组分以及控制发酵条件。检测培养液中微生物的形态、数目以及产物的浓度；检测的目的是为了了解发酵的进程，控制发酵过程。及时添加必需的培养基成分。控制发酵过程中培养基的各项理化性质。教师提问：溶氧度、pH等因素的变化对微生物有怎样的影响?在生产中该如何控制溶氧度、pH等环境因素？请以谷氨酸棒状杆菌发酵为例进行分析说明。学生活动：阅读教材P99并思考。总结：这些因素变化时，不仅影响菌种的生长繁殖，还会影响菌种的代谢产物的形成。以谷氨酸棒状杆菌发酵为例，环境因素变化对其影响具体表现如下：1.温度温度对微生物的影响是多方面的：温度影响酶的活性；温度还影响微生物的合成途径；温度还会对发酵液的物理性质、菌种对营养物质的分解、吸收等造成一定的影响。要保证正常的发酵过程，需要维持培养基中微生物最适生长的温度。需要强调的是，菌体生长和代谢产物合成所需要的适宜温度并不一定相同，因此，对于发酵过程的不同阶段，需要控制其不同温度。2.pHpH不仅影响酶的活性，还可以通过影响细胞膜的带电状况来影响细胞膜的通透性，从而影响微生物的营养物质的吸收与代谢产物的合成与分泌。在代谢过程中，随着菌体对营养物质的吸收、利用以及培养过程中代谢产物的积累，发酵液中的pH通常会发生变化。在工业生产中，常常采用在培养基中加入缓冲物质（如NaHCO3/H2CO3、Na2HPO4/NaH2PO4），或者通过中间补充氨水、CaCO3、(NH4)2CO3来调节pH。3.溶O2量对于需氧发酵而言，O2的供应是很重要的，好氧微生物对于O2的需求量是比较大的；但是，好氧微生物一般只能利用发酵液中的溶解氧，但是氧在培养液中的溶解度比较小，并且，随着温度的升高，溶氧度不断减小。因此，对于需氧发酵而言，必须向发酵液中连续补充大量无菌的空气，并且通过不断的搅拌来增加发酵液中的溶O2度。对于厌氧微生物的发酵来说，我们必须严格控制培养液中的溶O2量，以避免对微生物的正常代谢、生长与繁殖产生不利的影响，从而影响发酵产品的质量与产量。像酵母菌这类兼性厌氧型微生物而言，我们必须根据发酵工程的目的来控制溶O2量，假如以获得酵母菌菌体为目的的发酵工程，我们在整个过程中需要不断通入无菌空气，以加强酵母菌的代谢，从而获得更多的菌体；假如以酒精为目的产品，那么，我们一般在开始时通入较多的无菌空气，以加强酵母菌的代谢强度，使培养液中酵母菌的群体数量增加，为获得更多的代谢产品奠定基础，而后，则需严格控制通气，以促进酵母菌的无氧呼吸，获得代谢产物。4.营养物质的浓度发酵液中各种营养物质的浓度，特别是无机盐、生长因子（如维生素）的浓度，C/N比等，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。（6）产品的分离提纯媒体信息：通过图片、视频结合音频的方法，介绍针对发酵工程，不同产品的不同的后期处理方法，以增强学生的感性认识。总结：教学目标巩固1.列表比较杂交育种、单倍体育种、人工诱导多倍体育种、诱变育种、细胞工程育种、基因工程育种。育种类型原理育种过程优点不足实例杂交育种单倍体育种人工诱导多倍体育种诱变育种细胞工程育种基因工程育种2.利用酵母菌发酵生产酒精时,投放的适宜原料和在产生酒精阶段要控制的必要条件分别是A.玉米粉和有氧B.大豆粉和有氧C.玉米粉和无氧D.大豆粉和无氧分析：该题着重考查了酵母菌的新陈代谢类型以及培养基的相关知识。要正确解答，关键要知道酒精发酵的主要原料是糖，条件是无氧，除此之外，还应了解大豆和玉米种子的成分，知道玉米种子的主要成分是淀粉，淀粉可以水解成葡萄糖作酒精发酵的原料；大豆种子主要成分是蛋白质，不适于作酒精发酵的原料。答案:C2.下面是家庭酿酒的具体操作过程：先将米淘尽煮熟，待冷却至30时，加少许水和一定量的酒药(实际是酵母菌菌种)，与米饭混匀后置于一瓷坛内，在中间要挖一洞，加盖后置于适当的地方保温(28)，12h即成。现请你从以下几个方面对其发酵过程作相应的分析：(1)先将米煮一煮的目的是_。(2)为什么要冷却到30后，才可以加入酒药?答：_。(3)在中间挖一个洞的目的是_。(4)请你画出发酵坛内种群数量增长的曲线。(5)发酵坛没有密封，坛内无氧发酵的环境是由什么造成的?_。(6)请你用文字或坐标曲线的形式来说明发酵坛内有氧呼吸和无氧呼吸的此消彼长的过程。(7)在具体操作过程中，要根据米饭的多少加适量的酒药，如把握不住，宁多勿少，如果加少了将引起什么后果?为什么?(8)酿酒过程中为什么总是先来“水”后来酒其原因是_。分析：(1)将米煮一煮的目的主要是利用高温将其他杂菌杀死，避免其他杂菌存在时干扰发酵。(2)而米饭冷却到30后，才加入酒药，其主要目的是为了保持酵母菌活性，防止高温导致酵母菌死亡。（3）在米饭中间挖一个洞，一方面增加了氧气，使酵母菌在开始阶段进行有氧呼吸，获得大量能量而大量繁殖从而增加了菌体的数量；另一方面，可以增加散热面积，以有效地将酵母菌呼吸作用所产生的热量尽快地散失。(4)如下图。(5)酵母菌通过有氧呼吸消耗大量氧气，使得密闭容器内形成一个相对缺氧的环境；需要说明的是，即使容器的密闭性一般，也不会导致发酵的失败。这与酵母菌通过有氧呼吸产生的水将基质浸没而形成一个厌氧环境有关。(6)有氧气时酵母菌进行有氧呼吸，当氧气逐渐减少时，有氧呼吸减弱，无氧呼吸逐渐增强，当氧气完全消耗时就转入完全的无氧发酵产生酒精，如下图所示。(7)一开始加适量酵母菌是为了酵母菌种群有足够的起始密度，并能在较短时间内繁殖大量个体，从而占据整个生存空间。如酵母菌种群起始密度过小，占据整个生存空间所用的时间过长，极易导致杂菌侵入，从而影响酵母菌的发酵过程。(8)由于刚开始时，容器内有一定量的氧气，所以酵母菌先进行有氧呼吸，产生C02和水；氧消耗完后，酵母菌进行无氧呼吸生成酒精和CO2。答案：略。4.下图所示，在适宜的温度条件下，在下列装置中都放入干酵母(内有活酵母菌)，其中适于产生酒精的装置是分析：本题涉及下列知识：不同生物的无氧呼吸生成的产物可能会有不同；在人体及高等动物体内产生乳酸；在植物体内产生酒精或乳酸；在乳酸菌细胞内产生乳酸；在酵母菌细胞内则产生酒精。大多数生物化学反应只有在水作为介质的情况下才能进行。任何生物化学反应都需要具备一定的条件才能进行，如底物、适宜的温度、pH、有关的酶等。要使酵母菌通过无氧呼吸产生酒精的反应能够顺利进行，葡萄糖是不可缺少的底物，缺氧环境是必要的环境条件，氧的存在会抑制无氧呼吸。选项A是“加入葡萄糖和水”，基本满足上述条件，因此是正确选项；选项B是“加入葡萄糖”，由于没有水，葡萄糖没有溶解在水中而呈固态，很难发生生物化学反应，因此不适于产生酒精；选项C是“加入水”，由于缺少发酵的底物葡萄糖，因而不能发生无氧呼吸，无法产生酒精；选项D是“加入葡萄糖和水，并不断搅拌”，不断搅拌会使葡萄糖水溶液中的溶解氧大量增加，这样会抑制酵母菌的无氧呼吸，也不适于产生酒精。需要注意的是，如果选项D中的发酵罐很大，而搅拌又不充分，就可能造成局部缺氧，也会产生少量酒精。但是，题目问的是“适于产生酒精的装置”，而不是“能够产生酒精的装置”，这种提法可以避免学生考虑问题过于绝对化，实际是降低了题目难度，同时也使题目更加严谨。答案：A5.利用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的发酵过程中，必须不断地调整培养基的pH，原因是A.谷氨酸发酵的最适pH为7.08.0B.发酵过程中，溶液的pH会发生变化C.当pH呈酸性时，谷氨酸的产量会下降D.不调整pH，培养液中生成的谷氨酸会转变成其他物质分析：谷氨酸棒状杆菌的最适pH为7.08.0之间，谷氨酸代谢过程中的产物改变培养基（液）的pH，从而影响谷氨酸棒状杆菌的相关酶的活性，进而影响谷氨酸的发酵过程。答案：C结课本节课我们主要以谷氨酸发酵工程为例，学习了发酵工程的一般过程。在对以谷氨酸发酵为代表的发酵工程的对比、分析的基础上，总结了发酵工程的概念；然后，从生物工程技术的角度出发，着重学习了发酵工程的具体内容，了解了发酵工程的具体内容包括培养基的配制、菌种选育、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程、产品的分离与提纯等一般步骤。板书设计一、应用发酵工程的生产实例谷氨酸发酵二、发酵工程的概念和内容1.发酵工程的概念2.发酵工程的内容菌种的选育 培养基配制、灭菌 扩大培养和接种 发酵过程 产品的分离提纯等方面