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发酵工程及其应用（教学设计）-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3教学设计

教学目标

（1）生命观念：理解发酵工程通过微生物的特定功能实现工业化生产，认识到微生物在生命活动中的重要作用，形成对生命现象的科学认知。

（2）科学思维：通过分析发酵工程的基本环节，培养逻辑推理和问题解决能力，能够运用科学方法探究发酵条件对微生物生长和产物生成的影响。

（3）探究实践：通过实验设计和数据分析，掌握发酵工程中菌种选育、培养基配制、发酵条件控制等基本操作技能，提升实验探究和实践能力。

（4）态度责任：认识到发酵工程在食品、医药、农牧业等领域的应用价值，增强对生物技术的社会责任感和环保意识，积极参与相关科学实践。

教学方法

讲授法、案例分析、讨论法、自主学习

教学重点

（1）理解发酵工程的基本环节及其在工业化生产中的应用，培养学生科学探究与实践能力。

（2）通过分析发酵工程在食品、医药、农牧业等领域的应用，提升学生解决实际问题的能力，增强社会参与意识。

教学难点

（1）理解和掌握发酵工程的基本环节，尤其是菌种选育、培养基配制、灭菌、接种和发酵过程的关键技术和原理。

（2）深刻认识发酵工程在食品、医药、农牧业及其他领域中的应用，并将其与实际生产和生活案例相结合，理解其对社会发展的贡献。

教学过程

一、导入新课

教学环节

教师活动：从社会中来

展示青霉素的图片，并介绍其发现的过程：亚历山大?弗莱明（AlexanderFleming），英国微生物学家（1881.8.6-1955.3.11）。在二战期间，青霉素成为战地上的救命药物，挽救了无数生命，被誉为“神奇子弹”。1945年，他因此获得了诺贝尔生理学或医学奖。

尽管青霉菌中提取的青霉素产量较少，但随着高产菌种的选育和发酵技术的进步，青霉素逐渐实现了产业化生产。

提出问题：工业上是如何通过发酵工程生产青霉素的？如何定义发酵工程？

学生活动：了解青霉素的发现与发展历程，思考并回答老师的问题：工业上如何利用发酵工程生产青霉素？

设计意图：通过青霉素的发现和发展史，激发学生对发酵工程的兴趣，并引入课题。

二、讲授新课

教学环节

教师活动：一、发酵工程的概念：

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，或者直接把微生物应用于工业生产的一种新技术。

（学生：认真听讲，记录发酵工程的定义。）

学生活动：阅读课本P22—23，联系实际，思考以下问题：

发酵工程的概念是什么？

发酵工程的基本环节有哪些？

（学生：仔细阅读课本相关内容，归纳总结发酵工程的定义及其基本步骤。）

设计意图：通过概念总结和基本环节的学习，培养学生获取信息的能力，科学探究发酵工程的各个环节，激发学生的科研兴趣。

二、发酵工程的基本环节

选育菌种：优良性状的菌种可以来源于自然界，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。例如，生产柠檬酸时需要筛选出产酸量高的黑曲霉；啤酒生产中，通过基因工程改造的酵母可以加快发酵速度，缩短生产周期。

（学生：理解不同菌种的选择方法，并讨论其在实际生产中的重要性。）

扩大培养：工业发酵罐体积巨大，接入的菌种总量也需相应增加，因此在正式发酵前要进行菌种的扩大培养。

（学生：理解扩大培养的意义，记下关键操作步骤。）

配制培养基：确定菌种后，需选择合适的原料配制培养基。培养基的配方需要多次试验才能最终确定。

（学生：探讨培养基配制的步骤及其优化策略。）

灭菌：发酵过程中使用的多为单一菌种，一旦有杂菌污染，会严重影响产量。因此，培养基和设备都必须经过严格灭菌处理。

（学生：认识到灭菌的重要性，学习常见的灭菌方法。）

接种：将扩大培养后的菌种与灭菌后的培养基一同加入发酵罐中。现代化发酵设备能够自动监测并控制发酵过程中的温度、pH值、溶解氧、罐压、通气量、搅拌速率、泡沫生成和营养成分等参数。

（学生：了解接种过程及自动化监控系统的作用。）

发酵罐内发酵：在发酵过程中，需定期检测培养液中的微生物数量、产物浓度等指标，以便掌握发酵进程。同时，根据需要添加必要的营养成分，并严格控制发酵条件。

（学生：学习发酵过程中各项参数的监控和调控方法。）

分离、提纯产物：若产品是微生物细胞本身，则在发酵结束后可通过过滤、沉淀等方式分离菌体并干燥得到产品。如果产品是代谢物，则需采取适当的提取、分离和纯化措施。

（学生：研究产物分离与提纯的方法，思考如何提高产品的纯度和质量。）

思考与讨论

在选择用于发酵工程的菌种时，需要考虑哪些因素？

提示：①原料方面：广泛的适用性和高转化率；②产物方面：目标产物含量高，副产物少；③菌体方面：生长快，繁殖力强，耐受力强，抗污染、抗噬菌体能力强，遗传特征稳定；④设备方面：产泡沫少，适合大规模生产；生产周期短，需氧量少，抗污染能力强。

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