1.3發酵工程及其應用教學設計1.3發酵工程及其應用（第一課時）融入職業發酵工程制藥工（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□融合方式發酵工程的基本環節等內容是一名發酵工程制藥工必須掌握，發酵工程的應用也是發酵工程制藥工可能的工作方向，所以本節課的知識內容本身就是了解發酵工程制藥工這份職業最核心的內容。在學完核心知識內容之后，再綜合介紹這份職業需要的職業背景、就業單位、職業發展前景、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要求，最后觀看一個介紹該職業的視頻。1.教學內容分析本章節內容對應人教版選擇性必修3第13章，主要介紹了發酵工程及其應用。本章首先介紹了發酵工程的定義和基本過程，然后詳細介紹了各種發酵工程的應用，包括食品工業、醫藥工業、生物化工等領域的應用。此外，本章還介紹了發酵工程在環境保護、能源開發等方面的應用。2.教學目標1.理解發酵工程的定義和基本過程：學生能夠明確發酵工程的含義，并掌握其基本過程，例如微生物的培養、發酵條件的控制、產品的提取和純化等。2.掌握發酵工程在食品工業、醫藥工業、生物化工、環境保護和能源開發中的應用。3.通過了解發酵工程制藥工這個職業，發展一定的職業意識。3.教學重難點重點：發酵工程的基本環節，發酵工程的應用。難點：發酵工程的基本環節。4.教學過程【新課導入】從社會中來展示青霉素圖片，介紹青霉素發現過程：亞歷山大·弗萊明（AlexanderFleming），英國微生物學家（1881.8.61955.3.11），二戰”期間，青霉素成為戰場上神奇的抗生素，大顯神威，挽救了數以萬計的生命，被稱為“有魔力的子彈”。1945年諾貝爾生理學醫學獎。青霉菌中提取青霉素少，隨著高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素進入了產業化生產的道路。提出問題：工業上，如何利用發酵工程生產青霉素？提出發酵工程的概念？了解青霉素的發現和發展史，提出問題：工業上如何利用發酵工程生產青霉素?通過青霉素的發現和發展，激發學生對發酵興趣，展開課題。【新課講解】發酵工程的基本環節教師讓學生提前選取自己感興趣的發酵產品，畫出利用發酵工程生產該產品的流程圖，并在課堂上進行展示和說明。教師結合教材中介紹發酵工程基本環節的內容，結合圖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，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？（若生產的是微生物直接合成的產物，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要求的優良菌種。若生產的是微生物不能合成的產品，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，以構建工程菌，從而達到生產相應產品的目的，同時還應注意溫度、pH、溶解氧等對菌種的影響）2.怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？（發酵條件直接會影響微生物的生長和發酵產品的質量，發酵條件包括溫度、pH、溶解氧、通氣量等。溫度條件的調控可通過向冷卻夾層通入冷水來調控；pH條件的調控可在培養基中加入緩沖液，在發酵過程中加酸或堿；溶解氧的調控需根據微生物的代謝類型，若微生物是需氧型的，可通過空氣入口通入空氣，并調整攪拌葉輪轉速增加溶解氧。若微生物是厭氧型的，需封閉空氣入口，建立厭氧環境等）3.在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？（傳統發酵技術的發酵產物不是單一的組分，而是成分復雜的混合物，基本沒有經過產物分離和提純等步驟。發酵工程的發酵產物根據產物的種類采取不同的分離、提純方法，若發酵產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；若發酵產物是代謝物，則根據代謝物性質采用蒸餾、萃取、離子交換等方法分離、提純）4.在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎？為什么？（不能，發酵生產時，排出的氣體可能含有有毒氣體，廢棄培養液可能含有有毒物質，這些都可能會污染環境，對人體健康造成危害，此外，廢棄培養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液等需經檢測、處理后才能排到外界環境中）通過探討教材中的問題，教師帶領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，掌握系統分析的方法發酵工程的應用1、在食品工業上的應用（1）生產傳統的發酵食品①實例1——生產醬油②實例2——釀酒（2）生產食品添加劑①食品添加劑優點增加食物的營養，改善食品的口味、色澤和品質，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節劑；可以通過黑曲霉的有氧發酵制得；③實例2——味精谷氨酸經過一系列處理就能制成味精；由谷氨酸棒狀桿菌經有氧發酵可以得到谷氨酸；（3）生產酶制劑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、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、延長食品儲存期和提高產品產量等；③酶制劑來源少數由動植物生產；絕大多數通過發酵工程生產；啤酒的工業化生產流程：原料：大麥、酵母菌過程：1）發芽：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、質量和防腐，同時高溫滅菌、終止酶的進一步作用6）發酵：冷卻后，加入酵母菌進行發酵，發酵過程分為主發酵和后發酵兩個階段，主發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：殺死大多數微生物，但不是全部，因此，啤酒有保質期8）終止：過濾、調節、分裝啤酒出售思考、討論：1.與傳統的手工發酵相比，在上面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高?菌種的選育；對原材料的處理；發酵過程的控制；產品的消毒等2.“精釀”啤酒與“工業”啤酒的區別是什么？2、在醫藥工業上的應用（1）采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具有某種藥物生產能力的微生物（2）直接對菌種進行改造，再通過發酵技術大量生產所需要的產品，例如利用微生物生產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入適當的微生物細胞，獲得的表達產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入酵母菌，再發酵生產。3、在農牧業上的應用（1）生產微生物肥料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生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力，改良土壤結構，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，從而減少病害的發生.（2）生產微生物農藥①微生物農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）生產微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質，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、制糖工業的廢液等為原料，通過發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，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，利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功（2）將極端微生物應用于生產實踐自然界中還存在著一定數量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環境）中正常生活。例如嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量。【發酵工程制藥工職業介紹】教育背景：1.生物工程、生物技術等相關專業的學士學位。2.碩士或博士學位在相關領域會更有優勢，特別是在發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.掌握發酵過程控制、生物反應器操作、產品質量控制等專業知識。技能要求：1.熟練掌握實驗室技術，包括微生物培養、細胞培養、蛋白質純化等。2.能夠使用各種分析儀器，如高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜（GC）、質譜（MS）等。3.精通發酵工藝設計、優化和放大。4.具備良好的數據分析能力和統計學知識。5.能夠進行項目管理和團隊協作。6.了解藥品生產質量管理規范（GMP）和相關法規。7.良好的溝通能力和英語讀寫能力，以便閱讀專業文獻和國際交流。職業發展路徑：1.初級階段：作為實驗室技術員或助理研究員，參與基礎的發酵實驗和數據分析。2.中級階段：擔任項目經理或高級研究員，負責特定項目的研發和管理。3.高級階段：成為研發部門的負責人或技術總監，指導多個項目并進行戰略規劃。4.行業專家：在積累了豐富的經驗后，可以成為行業內的專家，參與制定行業標準或進行技術咨詢。5.創業或轉行：具備一定經驗和資源后，可以考慮創業或轉行至相關領域，如生物技術咨詢、投資等。就業單位和可能的工作內容：就業方向豐富多樣。他們可加入制藥行業，利用發酵技術參與藥物的生產與開發；或進入生物技術領域，