• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Кинетика биотехнологических процессов

2022/2023
Учебный год
RUS
Обучение ведется на русском языке
4
Кредиты
Статус:
Курс по выбору
Когда читается:
4-й курс, 3 модуль

Программа дисциплины

Аннотация

Дисциплина "Кинетика биотехнологических процессов" направлена на решение задач оптимизации и управления биотехнологическими процессами микробиологического синтеза на основе информации о закономерностях кинетики этих процессов - динамической реакции на изменение условий культивирования. Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным результатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Кинетика биотехнологических процессов», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 06.03.01 Биология, обучающихся по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 06.03.01 Биология; Образовательной программой «Клеточная и молекулярная биотехнология» и объединенным учебным планом по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Данная учебная дисциплина включена в раздел «Вариативная профессиональная часть» Учебного плана 06.03.01 Биология и относится к базовой профильной части. Осваивается на 4 курсе в 3 модуле. Изучение данной дисциплины базируется на результатах освоения дисциплины «Молекулярная биология», «Физика», «Биофизика», дисциплин математического блока. Основные положения дисциплины «Кинетика биотехнологических процессов»» будут использоваться при прохождении практики на 4 курсе образовательной программы «Клеточная и молекулярная биотехнология».
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Выяснение механизмов, определяющих скорости биологических процессов и влияния на эти процессы различных физических и химических факторов, а также изучение такого важного инструмента биологической кинетики.
  • Освоение основных методов экспериментального изучения кинетических процессов и их математический анализ; умение проводить количественный анализ ферментативных реакций, роста микроорганизмов, закономерностей изменения численности популяций.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • Знание особенностей биологической кинетики. Умение различать с химической кинетикой.
  • Знание основных положений и законы химической кинетики.
  • Освоение методов определения параметров уравнения Михаэлиса-Ментен.
  • Знание механизмов влияния температуры на скорость ферментативной реакции.
  • Понимание влияния температуры на ингибирование ферментативных реакций.
  • Освоение методов быстрого потока; методов постоянного потока; методов остановленного потока.
  • Освоение интегральной формы уравнения роста культуры микроорганизмов.
  • Знания условий непрерывного культивирования микроорганизмов.
  • Умение классифицировать системы непрерывного культивирования.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Тема 1. Основные понятия и принципы кинетики биологических процессов.
    Предмет биологической кинетики. Характеристика основных направлений биологической кинетики. Значение биологической кинетики для биотехнологии. Особенности биологической кинетики, её различия с химической кинетикой. Основные положения и законы химической кинетики. Закон действующих масс; константа скорости химической реакции; константа равновесия; молекулярность и порядок химической реакции; основные принципы химической кинетики. Методы анализа кинетических результатов. Графическое изображение кинетических результатов. Методы определения скоростей химических реакций; метод эмпирического дифференцирования; интегральный метод; методы определения порядка реакции; компьютерные методы анализа кинетических результатов; влияние температуры на скорость химических реакций.
  • Тема 2. Кинетика ферментативных процессов.
    Основные понятия ферментативной кинетики Биологические катализаторы - ферменты; специфичность действия ферментов; активный центр фермента; фермент-субстратные комплексы; активированный комплекс; механизмы действия ферментов; модель Михаэлиса-Ментен. Методы определения параметров уравнения Михаэлиса-Ментен Линеаризация уравнения Михаэлиса-Ментен: метод Лайнуивера-Бэр-ка; метод Вульфа-Августинсона-Идая; другие методы линеаризации уравнения Михаэлиса-Ментен; интегральная форма уравнения Михаэлиса-Ментен. Кинетика ингибирования ферментативных реакций. Понятие об ингибиторах ферментов; обратимые и необратимые ингибиторы; конкурентные ингибиторы; неконкурентные ингибиторы; бесконкурентные ингибиторы; специфическое и неспецифическое ингибирование; механизмы действия ингибиторов ферментативных реакций. Ингибирование ферментативных реакций избытком субстрата Влияние избытка субстрата на скорость ферментативных реакций; влияние концентрации ионов водорода на скорость ферментативных реакций; активация ферментативных реакций; способы определения параметров уравнения Михаэлиса-Ментен в случае ингибирования избытком субстрата и ионами водорода.
  • Тема 3. Молекулярная ферментативная кинетика.
    Теория индуцированного соответствия Кошланда; вклад энергетических и энтропийных факторов в увеличение скорости ферментативных реакций; молекулярные механизмы влияния температуры на равновесие ферментативной реакции. Влияние температуры на скорость ферментативных реакций Уравнение Аррениуса и ферментативная кинетика; молекулярные механизмы влияния температуры на скорость ферментативной реакции; влияние температуры на ингибирование ферментативных реакций.
  • Тема 4. Методы ферментативной кинетики.
    Экспериментальные методы ферментативной кинетики Методы отбора проб и непрерывных наблюдений; химико- аналитические методы; хроматографические методы; электрохимические методы; оптические методы, манометрические методы; другие методы. Изучение кинетики быстропротекающих реакций. Методы быстрого потока; методы постоянного потока; методы остановленного потока; релаксационные методы.
  • Тема 5. Кинетика микробиологических процессов .
    Характеристика различных способов культивирования микроорганизмов Поверхностное культивирование; глубинное периодическое культивирование; кривая роста; фазы роста; глубинное непрерывное культивирование. Способы определения количественных параметров роста по экспериментальным данным периодического культивирования Определение удельной скорости роста; времени генерации; экономического коэффициента по биомассе и по продукту, зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата Кинетика микробного роста – модель Моно; методы определения констант уравнения Моно по экспериментальным данным периодического культивирования: метод Лайнуивера и Бэрка; метод Вульфа-Августинсона- Идая. Ингибирование и активация роста микроорганизмов. Влияние температуры и рН на рост микроорганизмов. Конкурентное ингибирование роста микроорганизмов; неконкурентное ингибирование роста микроорганизмов; определение параметров уравнения Моно для случаев конкурентного и неконкурентного ингибирования; влияние температуры и рН на рост микроорганизмов. Интегральная форма уравнения роста культуры микроорганизмов.
  • Тема 6. Непрерывное культивирование микроорганизмов.
    Непрерывное культивирование микроорганизмов. Классификация систем непрерывного культивирования. Понятие о непрерывном культивировании; условия непрерывного культивирования микроорганизмов; саморегулирующая способность микроорганизмов в процессах непрерывного культивирования; классификация систем непрерывного культивирования. Характеристика открытых систем непрерывного культивирования. Теория хемостатного культивирования. Открытые одноступенчатые гомогенно-непрерывные системы; понятие о хемостате и турбидостате; теория хемостатного культивирования: система кинетических уравнений, описывающих поведение непрерывной культуры (модель Моно); анализ модели Моно; стационарные режимы; хемостатная кривая; производительность хемостата по биомассе.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Устный опрос_Тема 1-2
  • неблокирующий Устный опрос_Тема 3-6
  • неблокирующий Реферат_Тема 1-6
    Подготовка реферата студентом выполняется по одной выбранной теме с представлением реферата на одном из семинаров дисциплины.
  • неблокирующий Экзамен
    Экзаменационный билет содержит от 18 до 24 вопросов из приведенного примерного перечня экзаменационных вопросов.
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (3 модуль)
    0.3 * Реферат_Тема 1-6 + 0.1 * Устный опрос_Тема 1-2 + 0.1 * Устный опрос_Тема 3-6 + 0.5 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С. - ОБЩАЯ ХИМИЯ. БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ХИМИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. 10-е изд., пер. и доп. Учебник для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2016 - 562с. - ISBN: 978-5-9916-4337-5 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/obschaya-himiya-biofizicheskaya-himiya-himiya-biogennyh-elementov-388811