資源簡(jiǎn)介

第3節(jié) 發(fā)酵工程及其應(yīng)用教案
【教學(xué)目標(biāo)】
課程標(biāo)準(zhǔn)與本節(jié)相對(duì)應(yīng)的要求是：闡明發(fā)酵工程利用現(xiàn)代工程技術(shù)及微生物的特定功能，工業(yè)化生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品；舉例說明發(fā)酵工程在醫(yī)藥、食品及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用價(jià)值。據(jù)此，結(jié)合教材內(nèi)容，確定本節(jié)教學(xué)目標(biāo)：
1.通過分析現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵的原理、它與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的區(qū)別及其用到的現(xiàn)代化的工程技術(shù)，建構(gòu)發(fā)酵工程的概念
2.基于研學(xué)考察活動(dòng)，概述發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)
3.通過開展“高中生模擬創(chuàng)業(yè)答辯會(huì)”活動(dòng)，進(jìn)一步提升對(duì)發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)的認(rèn)識(shí)，發(fā)展工程思維，認(rèn)同發(fā)酵工程為人類提供了多樣的生物產(chǎn)品
【教學(xué)重難點(diǎn)】
重點(diǎn)：發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)，發(fā)酵工程的應(yīng)用。
難點(diǎn)：發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。
【新課導(dǎo)入】
從社會(huì)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（Alexander Fleming），英國微生物學(xué)家（1881.8.6 - 1955.3.11），二戰(zhàn)”期間，青霉素成為戰(zhàn)場(chǎng)上神奇的抗生素，大顯神威，挽救了數(shù)以萬計(jì)的生命，被稱為“有魔力的子彈”。1945年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
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(jìn)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(xué)生對(duì)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(xué)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(jìn)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1-9，分析和討論教材第23頁的“思考·討論”
微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)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(yīng)菌種，再用物理或化學(xué)方法誘變育種，從突變個(gè)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(xì)胞工程的方法對(duì)菌種的遺傳特性進(jìn)行定向改造，以構(gòu)建工程菌，從而達(dá)到生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的，同時(shí)還應(yīng)注意溫度、pH、溶解氧等對(duì)菌種的影響）
怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？
（發(fā)酵條件直接會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)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）
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(jìn)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(fù)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(xì)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(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，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(shí)，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(huì)污染環(huán)境，對(duì)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(huì)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(cè)、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(xué)生分析和完善自己畫的流程圖，并在這個(gè)過程中認(rèn)識(shí)到工程的復(fù)雜性，掌握系統(tǒng)分析的方法
發(fā)酵工程的應(yīng)用
1、在食品工業(yè)上的應(yīng)用
（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品
①實(shí)例1——生產(chǎn)醬油
②實(shí)例2——釀酒
（2）生產(chǎn)食品添加劑
①食品添加劑優(yōu)點(diǎn)
增加食物的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長(zhǎng)食品的保存期
②實(shí)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(shí)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(yīng)用
食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、
延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等；
③酶制劑來源
少數(shù)由動(dòng)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(shí)有機(jī)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(fēng)味、質(zhì)量和防腐，同時(shí)高溫滅菌、
終止酶的進(jìn)一步作用
6）發(fā)酵：冷卻后，加入酵母菌進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個(gè)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(duì)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(yīng)用
（1）采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)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(duì)菌種進(jìn)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(zhǎng)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(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)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(yīng)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(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來
增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)；有的微生物肥料可以抑制
土壤中病原微生物的生長(zhǎng)，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(shí)例1——單細(xì)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(xì)胞蛋白；單細(xì)胞蛋白應(yīng)用——食品
添加劑、微生物飼料；
③實(shí)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(dòng)物食
用后還能提高免疫力。
4、在其他方面的應(yīng)用
（1）解決資源短缺與環(huán)境污染問題
隨著對(duì)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(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)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。
【板書】
發(fā)酵工程及其應(yīng)用
一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)
二、發(fā)酵工程的應(yīng)用
(1) 在食品工業(yè)上的應(yīng)用
(2) 在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用
(3) 在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用
(4) 在其他方面的應(yīng)用

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