2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修三1-3发酵工程及其应用教案

高二年级生物学科选择性必修二课时教学设计课题发酵工程及其运用课时2主备辅备课型☑新授课□复习课□习题/试卷讲评课□实践活动课一、教学内容分析课程标准要求：阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。（二）核心素养要求：1.文化基础：举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。2.自主发展：根据发酵产品和利用微生物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。3.社会参与：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。（三）前后知识联系：学生已经学过(发酵工程)（与之前的联系），本节课的内容就是在此基础上的发展。由于它还与后面的(细胞工程)有联系（与之后或其他学科的联系）,所以在本学科中的作用是（承上启下）。二、学情分析在本节课的教学中，学生可能遇到的问题（或困难、障碍）是：（不能正确理解发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值）（指出问题），产生这一问题（或困难、障碍）的原因是（发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值不熟悉），解决的关键办法是（理论联系生活实际、学有所用，激发学生的兴趣。）三、重点难点分析1.教学重点是(发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值)，解决重点的关键是(在教学中要善于联系生活，从生活中来，到生活中去)。2.教学难点是(发酵产品和利用微生物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法)，解决难点的关键是(运用图示和演示实验等方法阐释，以及利用生活实际中的问题与生物知识相联系)。四、教学活动设计☑基于问题解决的设计□讲授式设计□自主探究式设计□合作交流式设计活动程序一【深度学习】课前自学、导学（用时5分钟内）师生活动教师对上次课限时训练讲评。图文情境导入：展示青霉素图片，介绍青霉素发现过程：亚历山大·弗莱明（AlexanderFleming），英国微生物学家（1881.8.6-1955.3.11），二战”期间，青霉素成为战场上神奇的抗生素，大显神威，挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。1945年诺贝尔生理学医学奖。青霉菌中提取青霉素少，随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素进入了产业化生产的道路。展示学习目标：4、学生自主梳理本课知识，发现问题：【设计意图】通过情境导入和新课知识初步了解，形成必要的额知识储备。活动程序二【深度学习】即本课学习教师根据本次课教学需要组合选用自学、互学、模仿等相关环节，用时25-40分钟。大问题一（请列出具体学习任务简称）：工业上，如何利用发酵工程生产青霉素？提出发酵工程的概念？呈现知识小问题串或情境或知识清单问题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？问题2.怎么对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？问题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？【模仿变通】变式、训练例题1.发酵工程利用的菌种都是从自然界中筛选出来的。 (×)提示：发酵工程的菌种也可以通过诱变育种和基因工程育种获得。发酵工程的中心环节是选育菌种。 (×)提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵的过程。发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。 (×)提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 (×)变式题1（1）发酵工程与传统发酵技术最大区别是前者可以利用微生物来进行发酵（×）提示：发酵工程与传统发酵都是利用微生物发酵。（2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（√）【师生活动】让学生选取自己感兴趣的发酵产品，联系课本画出发酵工程生产该产品的流程图，并在课堂上进行展示说明。之后老师进行补充，分析发酵工程基本环节，完善学生的流程图。重点讲解青霉素的发酵生产。教师总结：发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等。根据图1-9，思考讨论23页的问题，以小组形式回答，老师进行纠正讲解。（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？【答案】需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；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？【答案】要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。（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？【答案】传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；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，都需要进行质量检査,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？【答案】不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。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弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。【设计意图】从实例中概括概念，提升学生的概括总结能力。大问题二（请列出具体学习任务简称）：发酵工程的应用呈现知识小问题串或情境或知识清单问题1在食品工业上的应用是什么？问题2在医药工业上的应用是什么？问题3在农牧业上的应用是什么？【模仿变通】变式、训练例题2列出你昨天一天的食谱，看看哪些食品是直接由微生物发酵产生的，哪些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂。变式题2.（1）在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响生物的代谢途径。（√）（2）通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（×）某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主【师生活动】学生阅读完教材后，与老师一起制作“发酵工程的应用”的思维导图，每一部分都要举例让学生更深入地理解，感悟科技的创新源于生活，也将服务于生活。【设计意图】通过问答式教学引发学生求知欲望，通俗易懂理解到位活动程序三【学以致用】：检测反馈约占本次课的10分钟内【目标检测题】1.单细胞蛋白是通过下列哪种方法获得的()A.基因工程 B.细胞工程C.发酵工程 D.酶工程2.基因工程培育的“工程菌”通过发酵工程生产的产品，不包括()A.生长激素释放抑制激素B.干扰素C.聚乙二醇D.重组乙肝疫苗3.下列关于发酵的叙述，正确的是()A.发酵就是无氧呼吸B.发酵是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程C.发酵就是只获得微生物的代谢产物D.发酵就是发酵工程4.下列有关微生物的叙述，错误的是()A.酶合成的调节增强了微生物对环境的适应能力B.在发酵工程中，可通过诱变育种、基因工程和细胞工程定向选育出性状优良的生产用菌种C.细菌在生态系统中可作为生产者、消费者和分解者D.在基因工程中可用大肠杆菌作受体细胞，通过发酵工程来大量生产人的胰岛素5.谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。回答下列问题：(1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有__________。(多选)A.噬菌体B.人类免疫缺陷病毒(HIV)C.禽流感病毒D.肺炎双球菌E.酵母菌F.硝化细菌G.乳酸菌(2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。可以判断谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是________________型。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物中出现了大量的乳酸，其原因很可能是______________________。(3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的________，而且起到调节培养液________的作用，所以应该分次加入。(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自________________。(5)图中所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养液，同时又以同样的速度放出旧的培养液，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1.C解析：微生物含有丰富的蛋白质，而且微生物生长繁殖速度快，可通过发酵获得大量微生物菌体，这种微生物菌体就叫单细胞蛋白。2.C解析：“工程菌”通过发酵工程生产的产品包括生长激素释放抑制激素、干扰素、重组乙肝疫苗等，聚乙二醇是诱导细胞融合的诱导剂，不是通过发酵工程生产的产品。3.B解析：发酵包括有氧发酵和无氧发酵，A错误；发酵是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程，B正确，可通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白，用于生产微生物饲料，C错误；发酵有自然发酵和工业发酵，发酵工程指工业发酵，D错误。4.B5.答案：(1)ABCE(2)异养需氧通气量不足(3)氮源pH(4)基因突变(或突变)(5)①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长活动程序四【课堂小结】用时5分钟内【学以致用】作业设计之限时训练分ABC三层，学生选择AB或BC题做。用时30-45分钟，限时完成A组1.下列有关发酵工程的叙述，正确的是()A.发酵工程常采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的产品B.发酵所用的菌种多是通过杂交育种的方式获得C.发酵工程就是利用微生物的无氧呼吸生产人类所需的产品D.发酵工程与基因工程和细胞工程无关2.发酵工程的第一个重要工作是选育性状优良的纯种微生物。消灭杂菌、获得纯种的方法不包括()A.根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基B.根据微生物所需生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子C.根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸D.根据微生物对抗生素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗生素3.用发酵工程生产的产品，如果是菌体，则进行分离提纯时可采用的方法是()A.蒸馏、过滤B.过滤、沉淀C.萃取、离子交换D.沉淀、萃取4.下面与发酵工程有关的叙述，错误的是()A.发酵罐中必须通入无菌空气B.不经处理排放的废弃培养液是一种污染物C.培育新菌种，可用于分解更多种类的有机污染物D.发酵工程在医药工业、食品工业和环境保护等方面均有广泛应用B组5.发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际分析，下列说法错误的是()A.①为诱变育种，②为萃取(或蒸馏、离子交换等)B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件6.发酵工程的正确操作过程是()①发酵②培养基的配制③灭菌④产品的分离与提纯⑤菌种的选育⑥扩大培养⑦接种A.⑤②⑥⑦①③④B.⑤⑥②③⑦①④ C.②⑤③⑦①⑥④D.⑦⑥⑤②③①④7.通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是()A.配制高浓度营养物质的培养基，会使谷氨酸棒状杆菌大量繁殖B.常用的谷氨酸棒状杆菌为好氧菌，因此培养基中需严格控制溶解氧、通气量等发酵条件C.排出发酵罐中的谷氨酸，不利于谷氨酸的合成和产量的提高D.发酵液pH呈碱性时，谷氨酸棒状杆菌易合成谷氨酰胺 8.下列关于发酵工程的操作流程的叙述，错误的是()A.发酵所需的菌种需要进行筛选或育种获得B.菌种在接种之前要进行扩大培养C.发酵所用的培养基要进行灭菌，发酵设备不需要严格灭菌D.若产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得C组9.下列不属于发酵工程在食品工业上应用的是()A.生产传统的发酵产品，如酱油、酒类等B.生产各种各样的食品添加剂，如增味剂、增稠剂等C.生产各种酶制剂，如果胶酶、脂肪酶、α－淀粉酶等D.生产抗生素、多种氨基酸和免疫抑制剂等10.赖氨酸是人体的必需氨基酸。人们利用黄色短杆菌合成赖氨酸的途径如图所示，通常利用发酵工程进行规模化生产。请回答下列问题：(1)黄色短杆菌中含有遗传物质的结构是________________________________________。(2)用黄色短杆菌生产赖氨酸的培养基按物理性质分属于____________。在培养基中要添加含C、H、O、N等元素的某相应有机化合物，从微生物的营养物质种类看，该化合物可以为黄色短杆菌提供哪些营养物质？__________________。(3)根据细菌的繁殖特点，科学家常采用________的方法培育新菌种。由图可知，在筛选过程中要增加赖氨酸产量，就必须选育____________________的菌种。(4)环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的积累。所以，在微生物培养过程中要严格控制____________________等发酵条件。11.如图所示为发酵工程生产产品的流程图，请据图回答下列问题。(1)若能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①应该是__________；若高产青霉素菌种是通过②培育的，②应该是______________________。(2)根据培养基的用途，可以将它们分为________培养基和________培养基。各种培养基的具体配方不同，但一般都含有__________________等营养成分。培养基在使用之前要用____________进行灭菌。(3)整个过程的中心阶段是________，在该时期要随时取样检测培养基中的____________等。同时，要严格控制____________________等发酵条件，因为环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物________________的形成。(4)在发酵过程中要不断搅拌的目的是：①_________________；②______________。(5)发酵产品