Biotechnologie, van cel tot fabriek (6v

Biotechnologie, van cel tot fabriek (6v) - Docentenhandleiding
Inhoud
1. Korte beschrijving van de inhoud van de module
2.
Lesopzet van de module
3.
Uitwerking van de opgaven
4.
Toelichting bij de experimenten
5.
Studiewijzer voor leerlingen
6.
Achtergrondartikelen
7.
Werkbladen
Een pdf met de gehele docentenhandleiding (incl uitwerkingen) is aan te vragen bij
[email protected].
1. Korte beschrijving van de inhoud van de module
De module “Moderne Biotechnologie” is een module voor 6 VWO.
De contextvragen:
1. Hoe kunnen bacteriën melkzuur maken?
2. Op welk manieren krijg je zuiver melkzuur?
3. Hoe verloopt op industriële schaal de productie van PLA?
4.
5.
6.
Hoe gaat de metabolic engineering van E.coli?
Op welk manier krijg je zuiver 1,3-propaandiol?
Hoe verloopt op industriële schaal de productie van Sorona?
In deze module staat de cel als chemische fabriek centraal. De module behandelt de klassieke en de
moderne biotechnologie.
Voor de klassieke biotechnologie is gekozen voor de productie van melkzuur. Melkzuur wordt gemaakt
met fermenterende bacteriën. Dit zijn eenvoudige organismen met een relatief eenvoudige stofwisseling.
Daardoor zijn melkzuur bacteriën erg geschikt om het concept van “cel als fabriek” te introduceren.
Bovendien wordt melkzuur gebruikt in tal van aansprekende producten van cosmetica tot bioplastics.
Voor de moderne biotechnologie is gekozen voor de productie van 1,3-propaandiol. 1,3-propaandiol
wordt geproduceerd met behulp van genetisch gemodificeerde bacteriën via biosynthetische routes die
al in de bacterie aanwezig zijn. 1,3-propaandiol is de grondstof (het monomeer) voor de productie van
het polymeer Sorona®. Sorona® is een polymeer die veel gebruikt wordt in de textielindustrie voor de
productie van (sport)kleding en vloerbe-dekking.
Na introductie van de module is de stof verdeelt over een aantal hoofdstukken.
In hoofdstuk 2 wordt kort de bouw van de cel toegelicht en het transport van stoffen over en door het
membraan. Leerlingen met biologie in hun profiel kunnen dit hoofdstuk eventueel overslaan of gebruiken
als herhaling.
In hoofdstuk 3 wordt de “cel als fabriek” geïntroduceerd. De biosynthetische routes in de cel voor het
afbreken van voedingsstoffen worden aan de hand van een routekaart toegelicht. Naast bouwstenen
heeft een cel ook energie nodig. De energiehuishouding in de cel wordt besproken. Omdat alle
literatuurwaarden in Gibbs energie staan uitgedrukt en bovendien redoxpotentialen gekoppeld zijn aan
Gibbs energie wordt het begrip Gibbs energie hier kort besproken. De biosynthetische routes voor de
aerobe en de anaerobe afbraak van glucose worden behandeld, waarbij vooral de glycolyse belangrijk is
omdat daar ingegrepen wordt bij de productie van 1,3-propaandiol.
Hoofdstuk 4 is het hoofdstuk waar de klassieke biotechnologie aan de orde komt. Melkzuur wordt
geproduceerd in een fed-batch proces, procesomstandigheden en bacteriegroei zijn onderdeel van dit
hoofdstuk. Voor de zuivering van melkzuur zijn een vijftal routes uitgewerkt, tevens is er een route over
de bewerking van de grondstoffen voor de melkzuurproductie. Voor de productie van polymelkzuur zijn
twee routes uitgewerkt. De leerlingen stellen groepjes samen en kiezen een van de zuiveringsroutes of
een productieroute van polymelk-zuur. Ze maken de vragen bij de route en bereiden dan een
presentatie voor van maximaal 5 minuten waarin aan de rest van de klas wordt uitgelegd hoe de
gekozen route werkt.
Het uiteindelijk doel van deze expertmethode is dat alle leerlingen kennis vergaren over alle routes. Alle
routes zijn onderdeel van de toetsstof. Hoofdstuk 4 wordt afgesloten met een grote opgave waarin aan
het productieproces van melkzuur moet worden gerekend.
Moderne biotechnologie, namelijk de productie van 1,3-propaandiol, is het onderwerp in hoofdstuk 5.
Aan de orde komen de chemische en de biosynthese van 1,3-propaandiol, genetische modificatie van
Escherichia coli (E.coli) die er voor moet zorgen dat de bacterie zoveel mogelijk 1,3-propaandiol
produceert en het productieproces van Sorona®.
Bij het productieproces van Sorona® wordt weer in groepjes gekeken naar de diverse stappen in het
productieproces.
Ook dit hoofdstuk wordt afgesloten met een industriële rekenopgave.
Extra toelichting bij expert opdracht hoofdstuk 4
De opdrachten zijn bedoeld voor groepjes van drie of vier leerlingen. Paragrafen 4.4 en 4.5 behandelen
samen 8 routes zodat met een combinatie van opdrachten een klas van 32 leerlingen bediend kan
worden.
Bij kleinere klassen kunnen de groepjes kleiner worden of routes weggelaten worden. Niet alle routes
zijn even moeilijk. Over het algemeen is het zo dat de routes met de meeste vragen het moeilijkst zijn.
Bij het testen van de module is gebleken dat de presentaties en de bespreking ervan veel tijd kunnen
kosten als blijkt dat er veel chemische onjuistheden in de presentaties voorkomen.
In variant A ligt de nadruk op biotechnologie en/of industriële chemie. Variant B geeft meer ruimte tot het
(chemische inhoudelijk) bespreken van de presentaties.
Hoofdstuk 4
Les 1
Les 2
Les 3
Les 4
Variant A
§4.1 t/m §4.3 + indeling in
groepjes
Werken aan routes uit § 4.4 en §
4.5 + Experiment PLA productie
klassikaal
Presentatie routes -1 t/m 4
Presentaties routes 5, 6, 7 +
op-dracht Plastic zakken voor
India
Variant B
§4.1 t/m §4.3 + indeling in
groepjes
Werken aan routes uit § 4.4 en §
4.5 + Experiment PLA productie
klassikaal
Presentatie routes -1 t/m 3
Presentaties routes 4 t/m 7
Les 5
§ 4.7 Oefenopgaven
§ 4.7 Oefenopgaven
Extra toelichting bij keuze opdracht hoofdstuk 5
Hoofdstuk 5
Les 1
Les 2*
Les 3
§5.1 t/m §5.3
Opdracht § 5.4 Doe deze opdracht op snelheid.
Moet binnen de les af en kijk goed of de vragen
helder beantwoord zijn. Tip: geef een prijsje aan
het snelste team.
Een groepsgrootte van 8 past bij het aantal vragen.
Groepsgrootte en aantal vragen aanpassen kan
altijd.
§ 5.5 Oefenopgaven
* Opdracht 5.3 overslaan kan ook. De belangrijkste stof komt terug bij de oefenopgaven
Hoofdstuk 6 is een verdiepingshoofdstuk over Gibbs energie. ΔG0 wordt geïntroduceerd, de rol van
ΔG0 bij evenwichten en in steady state. Dit hoofdstuk wordt weer afgesloten met een opgave waarbij
aan de Gibbs energie van het melkzuur productieproces wordt gerekend.
Hoofdstuk 7 is het afsluitende hoofdstuk, waarin de kennis over Gibbs energie wordt gekoppeld aan de
dissimilatie van glucose uit hoofdstuk 3. ΔG0 wordt bekeken in relatie met de elektrodepotentiaal.
Afgesloten wordt met de rol van ΔV0 bij de biosynthetische reacties van de cel.
2. Lesopzet voorbeeld
Download document voorbeeld lesopzet
3. Uitwerkingen opgaven
De uitwerkingen van de opgaven kunnen per email worden opgevraagd bij
[email protected].
4.
Toelichting op de experimenten
Download document experimenten toelichting
5.
Studiewijzer voor leerlingen
download document voorbeeld studiewijzer voor leerlingen
6.
Achtergrondartikelen
zie artikelen
of download het overzicht (.doc)
7.
Werkbladen
download document met werkbladen
ScheikundeInBedrijf.nl | Postbus 158, 2260 AD Leidschendam | T +31 (0)70 337 87 88, F +31 (0)70 337 87
89 | [email protected]
________________________________________________________
Trial version converts only first 100000 characters. Evaluation only.
Converted by HTML-to-RTF Pro DLL .Net 3.0.9.1 (build March 27th, 2009).
(Licensed version doesn't display this notice!)
- Get license for the HTML-to-RTF Pro DLL .Net