Главная
страница 1страница 2страница 3
скачать файл

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»



УТВЕРЖДАЮ

Директор ИФБиБТ

______________/В. А. Сапожников

«___» ____________ 2013 г.





РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина М3.ДВ4 – Математическое моделирование

биотехнологических процессов
Укрупненная группа 020000 – Естественные науки
Направление 020400.68 – Биология

Магистерская программа 020400.68.01 – Микробиология и биотехнология


Институт Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Кафедра Базовая кафедра биотехнологии

Квалификация (степень) выпускника


Магистр

Красноярск
2013
Рабочая программа дисциплины
составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе

__________020000 – естественные науки


направления (профиля) ___________020400.68 – биология______
Программу составили д.т.н., профессор П. В. Миронов
Заведующий кафедрой д.б.н., профессор Т. Г. Волова _
«_____»_______________2013 г.

Рабочая программа обсуждена на заседании базовой кафедры биотехнологии


«______» _________________ 2013 г. протокол № _____________
Заведующий кафедрой д.б.н., профессор Т. Г. Волова _
Рабочая программа обсуждена на заседании НМСИ _____________

_____________________________________________________________


«______» __________________ 201___ г. протокол № _____________

Председатель НМСИ __________________________________________

Дополнения и изменения в учебной программе на 201 __/201__ учебный год.

В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на на заседании базовой кафедры биотехнологии


«____» _____________ 201__г. протокол № ________
Заведующий кафедрой _________________________________________

Внесенные изменения утверждаю:


Директор ИФБиБТ _________________________________________

1. Цели и задачи изучения дисциплины
1.1. Цель преподавания дисциплины
Курс «Математическое моделирование биотехнологических процессов» относится к числу дисциплин специализации. Основной целью данного курса является изучение важнейших закономерностей, лежащих в основе многих биотехнологических процессов – кинетики ферментативных реакций и ферментативного катализа, роста и развития микробных популяций, синтеза продуктов метаболизма микроорганизмами. В задачи биологической кинетики входит выяснение закономерностей протекания во времени биологических процессов на молекулярном или клеточном уровне; механизмов, определяющих их скорости и выявление лимитирующих стадий. Составной частью биологической кинетики является математическое описание протекания процессов во времени при использовании молекулярных представлений и законов физической и химической кинетики.

В настоящее время биологическая кинетика является основой управляемого биосинтеза. Одной из важных частей биокинетики является анализ кинетических закономерностей роста и развития микробных популяций. По своей природе микробиологические процессы представляют собой ферментативные реакции, протекающие в полиферментных системах при переменной концентрации биокатализаторов - ферментов. Специфической особенностью роста микроорганизмов является автокаталитический характер процесса, определяемый увеличением общей концентрации ферментов в системе по мере развития популяции. В силу этого оказывается целесообразным применение в микробиологии ряда формальных методов и приемов, развитых при анализе кинетических закономерностей ферментативного катализа.

Изучаемые методы и подходы направлены на то, чтобы выработать у студентов навыки анализа особенностей протекания процессов ферментативного катализа и микробного роста, создания представлений о механизмах явлений. Рассматриваемые в данном пособии кинетические основы ферментативных и микробиологических процессов важны при решении вопросов как фундаментальной, так и прикладной микробиологии.

Дисциплина «Математическое моделирование биотехнологических процессов» интегрирует знания основных закономерностей и особенностей в области химической, ферментативной и микробиологической кинетики и в связи с этим в курсе значительное место уделено изучению математических моделей процессов ферментативного катализа, периодического и непрерывного культивирования микроорганизмов с учётом влияния различных физико-химических факторов и их анализа. Рассматриваются методы определения количественных характеристик ферментативного катализа, роста и развития микробных культур и синтеза целевых продуктов, расчёта оптимальных условий синтеза.

Современные тенденции в развитии биотехнологии требуют повышения качества подготовки специалистов как на основе улучшения фундаментальной подготовки по инженерно-химическому циклу учебных дисциплин, так и в связи с необходимостью интенсификации и модернизации действующих производств, их укрупнения и комбинирования, развития экологически чистых и безотходных производств, создания энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Цели изучения дисциплины:

В настоящее время биологическая кинетика является основой управляемого количественного биосинтеза в биотехнологических процессах. В связи с этим целью настоящего курса является выяснение механизмов, определяющих скорости биологических процессов и влияния на эти процессы различных физических и химических факторов, а также изучение такого важного инструмента биологической кинетики, каким является математическое описание протекания биологических процессов во времени при использовании молекулярных представлений и принципов физической и химической кинетики.
1.2 Задачи изучения дисциплины
Основные задачи курса заключаются в следующем:


  • овладеть теоретическими знаниями в области основных направлений биологической кинетики: кинетики ферментативных, микробиологических и популяционных процессов;

  • приобрести практические навыки количественного анализа ферментативных реакций, роста микроорганизмов, закономерностей изменения численности популяций;

  • приобрести навыки создания простейших математических моделей биологических процессов и их анализа;

  • получить основы теоретической базы, необходимой для освоения и понимания биологических дисциплин специальности.

В результате изучения курса студенты должны знать:

  • основные области и направления развития биологической кинетики, её роль в развитии биологии и биотехнологии;

  • основные методы экспериментального изучения кинетических процессов и их математический анализ;

  • механизмы ферментативного катализа, действие ингибиторов и активаторов ферментативных реакций; механизмы влияния физических факторов на скорости ферментативных реакций и рост микроорганизмов.

Должны быть получены также навыки выбора и обоснования оптимальных условий функционирования ферментных систем и культур микроорганизмов; применения теоретических основ дисциплины для анализа конкретных задач; построения и анализа простейших математических моделей биологических процессов.

Дисциплина способствует формированию следующих компетенций:



а) общекультурные компетенции (ОК):

ОК-1: способен к творчеству (креативность) и системному мышлению;

ОК-2: способен к инновационной деятельности;

ОК-3: способен к адаптации и повышению своего научного и культурного уровня;



б) профессиональные (ПК) – общепрофессиональные:

ПК-2: знает и использует основные теории, концепции и принципы в избранной области деятельности, способен к системному мышлению.

ПК-3: самостоятельно анализирует имеющуюся информацию, выявляет фундаментальные проблемы, ставит задачу и выполняет полевые, лабораторные биологические исследования при решении конкретных задач по специализации с использованием современной аппаратуры и вычислительных средств, демонстрирует ответственность за качество работ и научную достоверность результатов.

ПК-6: творчески применяет современные компьютерные технологии при сборе, хранении, обработке, анализе и передаче биологической информации.



в) в соответствии с видами деятельности:

ПК-12: применяет методические основы проектирования и выполнения полевых и лабораторных биологических и экологических исследований с использованием современной аппаратуры и вычислительных комплексов (в соответствии с целями магистерской программы), генерирует новые идеи и методические решения.

ПК-13: самостоятельно использует современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских и производственно-технологических задач профессиональной деятельности, для сбора и анализа биологической информации.
1.3 Межпредметная связь
Дисциплина «Математическое моделирование биотехнологических процессов» относится к циклу М.3 (профессиональный цикл), вариативная часть, курс по выбору студента. Изучение данной дисциплины опирается на основные представления химии, биохимии, микробиологии и должно обеспечить правильное понимание развития биотехнологических процессов во времени, влияния на эти процессы различных химических и физических факторов. По целевому направлению и месту в учебных планах настоящий курс логически связывает между собой общенаучные, общехимические и общеинженерные дисциплины.
2. Объем дисциплины и виды учебной работы
Трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы (72 часа). Программой курса предусмотрены лекции (8 ч) и практические занятия (24 ч). Важное место в овладении данным курсом отводится самостоятельной работе студентов (40 ч).

Объем дисциплины и виды учебной работы приведены в табл. 1.

Таблица 1


Вид учебной работы

Всего

зачетных


единиц

(часов)


Семестр

9

Общая трудоемкость дисциплины

2,0 (72)

2,0 (72)

Аудиторные занятия:

0,89 (32)

0,89 (32)

Лекции

0,22 (8)

0,22 (8)

Практические занятия (ПЗ)

0,67 (24)

0,67 (24)

Самостоятельная работа:

1,11 (40)

1,11 (40)

изучение теоретического курса (ТО)

1,0 (36)

1,0 (36)

реферат

0,11 (4)

0,11 (4)

Вид итогового контроля

зачет

зачет


3. Содержание дисциплины
3.1 Разделы дисциплины и виды занятий в зачетных единицах (часах)

Разделы дисциплины приведены в табл. 2.

Таблица 2


п/п


Раздел дисциплины

Лекции

(часы)


ПЗ

(часы)


СР

(часы)


Формируемые компетенции

1

Раздел 1. Основные понятия и принципы кинетики биологических процессов

0,03 (1)

0,08 (3)

0,22 (8)

ОК-1, ОК-2, ОК-3; ПК-2, ПК-3, ПК-6, ПК-12, ПК-13

2

Раздел 2. Кинетика ферментативных процессов

0,03 (1)

0,08 (3)

0,22 (8)

3

Раздел 3. Молекулярная ферментативная кинетика

0,06 (2)

0,17 (6)

0,22 (8)

4

Раздел 4. Методы ферментативной кинетики

0,03 (1)

0,08 (3)

0,11 (4)

5

Раздел 5. Кинетика микробиологических процессов

0,06 (2)

0,17 (6)

0,17 (6)

6

Раздел 6. Непрерывное культивирование микроорганизмов

0,03 (1)

0,08 (3)

0,17 (6)

7

ВСЕГО:

0,22 (8)

0,67 (24)

1,11 (40)


3.2 Содержание разделов и тем лекционного курса
РАЗДЕЛ 1. Основные понятия и принципы кинетики

БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ



Тема 1. Предмет биологической кинетики. Особенности биологической кинетики, её различия с химической кинетикой

Введение. Предмет биологической кинетики. Характеристика основных направлений биологической кинетики. Значение биологической кинетики для биотехнологии. Особенности биологической кинетики, её различия с химической кинетикой



Тема 2. Основные положения и законы химической кинетики

Закон действующих масс; константа скорости химической реакции; константа равновесия; молекулярность и порядок химической реакции; основные принципы химической кинетики



Тема 3. 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


Раздел 2. Кинетика ферментативных процессов

Тема 1. Основные понятия ферментативной кинетики

Биологические катализаторы - ферменты; специфичность действия ферментов; активный центр фермента; фермент-субстратные комплексы; активированный комплекс; механизмы действия ферментов; модель Михаэлиса-Ментен



Тема 2. 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



Тема 3. 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



Тема 4. 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


Раздел 3. Молекулярная ферментативная кинетика

Тема 1. Молекулярные механизмы ферментативного катализа

Теория индуцированного соответствия Кошланда; вклад энергети-ческих и энтропийных факторов в увеличение скорости ферментативных реакций; молекулярные механизмы влияния температуры на равновесие ферментативной реакции.



Тема 2. 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


Раздел 4. Методы ферментативной кинетики

Тема 1. Экспериментальные методы ферментативной кинетики

Методы отбора проб и непрерывных наблюдений; химико-аналитические методы; хроматографические методы; электрохимические методы; оптические методы, манометрические методы; другие методы



Тема 2. Изучение кинетики быстропротекающих реакций

Методы быстрого потока; методы постоянного потока; методы остановленного потока; релаксационные методы


Раздел 5. Кинетика микробиологических процессов

Тема 1. Характеристика различных способов культивирования микроорганизмов

Поверхностное культивирование; глубинное периодическое культивирование; кривая роста; фазы роста; глубинное непрерывное культивирование



Тема 2. Способы определения количественных параметров роста по

экспериментальным данным периодического культивирования

Определение удельной скорости роста; времени генерации; экономического коэффициента по биомассе и по продукту

Тема 3. 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, др. методы



Тема 4. 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



Тема 5. Интегральная форма уравнения роста культуры микроорганизмов

Вывод уравнения роста культуры микроорганизмов при условии утилизации субстрата в процессе роста; анализ уравнения роста культуры микроорганизмов в интегральной форме


Раздел 6. Непрерывное культивирование микроорганизмов

Тема 1. 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



Тема 2. 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


3.3 Практические (семинарские) занятия
1. Кинетика ферментативных реакций: анализ начальных скоростей реакций.

1.1. Кинетическое описание двухстадийных ферментативных реакций

1.2. Определение кинетических параметров ферментативных реакций из экспериментальных данных

1.3. Влияние обратимых эффекторов (ингибиторов и активаторов) на кинетику ферментативных реакций


2. Применение интегральной формы уравнения Михаэлиса-Ментен для кинетического анализа ферментативных реакций

2.1. Интегральный анализ кинетики действия ферментов

2.2. Практическое применение интегрального метода.
3. Влияние температуры на кинетику ферментативных реакций

3.1. Зависимость кинетических и равновесных параметров ферментативных реакций от температуры

3.2. Изучение термодинамики конформационных изменений активных центров ферментов
3.4 Лабораторные занятия
Учебным планом не предусмотрены.
3.5 Самостоятельная работа
Условием успешной профессиональной деятельности выпускника СФУ и его дальнейшего карьерного роста является его профессиональная мобильность, умение самостоятельно получать новые знания, повышать квалификацию.

Учебной программой предусмотрено 55 % объема времени изучения материала на самостоятельную работу студентов. Данный вид работы является обязательным для выполнения. При самостоятельном выполнении различных видов заданий студент учится самостоятельно принимать решения, разбирать и изучать новый материал, работать с периодической научной литературой.

Самостоятельная работа включает:

– самостоятельное изучение теоретического материала с использованием рекомендуемой литературы;

– подготовку к практическим занятиям;

– написание и защита реферата.


По каждому виду работы студент должен выполнить задания, приведенные в методических указаниях по самостоятельной работе и согласованные с преподавателем. Выполненные задания оформляются в соответствии с требованиями оформления студенческих текстовых документов и сдаются преподавателю в соответствии с графиком самостоятельной работы (прил. 3).

3.5.1. Самостоятельное изучение теоретического материала

При самостоятельном изучении теоретического курса студентам необходимо:

1) самостоятельно изучить темы теоретического курса в соответствие учебной программой дисциплины;

2) подготовить устные ответы на контрольные вопросы, приведенные ниже.


Контрольные вопросы

1. Качественное исследование математических моделей биологических процессов. Элементы качественной теории динамических систем второго порядка (характеристика простейших математических моделей биологических процессов).

Простейшие кинетические математические модели биологических процессов как системы двух дифференциальных уравнений первого порядка (динамические системы). Понятие о фазовой траектории, фазовой плоскости, фазовом портрете динамических систем. Качественный анализ поведения динамических систем. Особые точки.

2. Построение фазового портрета системы. Исследование устойчивости особых точек. Основные типы состояний устойчивости.

Характер устойчивости и типы особых точек. Построение фазового портрета системы. Исследование устойчивости особых точек методом теории возмущений. Основные типы состояний устойчивости: устойчивый узел и неустойчивый узел; седло; центр; устойчивый и неустойчивый фокусы.

3. Анализ модели «хищник-жертва» (модель Вольтерра).

Система уравнений, описывающих поведение модели «хищник-жертва»; анализ устойчивости системы; зависимости численности популяций хищника и жертвы в замкнутой системе от времени.

4. Анализ устойчивости режимов хемостата.

Система уравнений для модели хемостата в безразмерных параметрах; анализ устойчивости хемостата; колебательные режимы концентраций биомассы и субстрата в хемостате.



3.5.2. Написание и защита рефератов

В рамках курса «Математическое моделирование биотехнологических процессов» выполняется два реферата по выбранным студентами темам из нижеприведенного списка.

Перечень тем рефератов


  1. Химия каталитического действия ферментов

  2. Специфичность действия ферментов

  3. Скорости элементарных стадий в ферментативном катализе

  4. Биокатализаторы на основе иммобилизованных ферментов

  5. Биокатализаторы на основе иммобилизованных клеток

  6. Макрокинетика реакций с иммобилизованными ферментами

  7. Использование ферментов в органическом синтезе

  8. Использование ферментов в аналитической химии

  9. Носители и методы иммобилизации ферментов

  10. Ферментативная кинетика и ингибирование

  11. Влияние температуры на скорость и равновесие ферментативных реакций

  12. Кинетика ферментативных реакций в открытых системах. Проточные реакторы идеального перемешивания

  13. Инженерная энзимология: принципы конструирования биокатализаторов с необходимыми свойствами

  14. Биокаталитические методы защиты окружающей среды.

  15. Качественное исследование устойчивости биологических систем: анализ модели «хищник-жертва» (модель Вольтерра).

  16. Качественное исследование устойчивости биологических систем: анализ устойчивости режимов проточного биореактора (хемостат).

  17. Зависимость скорости роста культур микроорганизмов от концентрации лимитирующего субстрата: анализ схемы с необратимой трансформацией субстрата в клетке

  18. Репликация, транскрипция, трансляция в кинетике роста микробных культур

  19. Модель многосубстратного процесса микробного роста

  20. Ингибирование и активация роста культур микроорганизмов

  21. Кинетика ингибирования роста культур микроорганизмов продуктами

  22. ферментации

  23. Периоды индукции на кинетических кривых роста микроорганизмов

  24. Культивирование микроорганизмов в режиме хемостата: методы экспериментального определения параметров роста по стационарным состояниям в условиях неосложнённого роста

  25. Культивирование микроорганизмов в режиме хемостата: методы экспериментального определения параметров роста в условиях ингибирования продуктами метаболизма

  26. Симбиотические ассоциации микроорганизмов: кинетический анализ роста ассоциации культур двух микроорганизмов.

Написание реферативного исследования требует самостоятельности и творческого подхода. Основной целью работы является раскрытие одной из тем, предложенных преподавателем или выбранных самим студентом, по согласованию с преподавателем. Основа реферата выполняется с использованием учебной и научной литературы и обязательно подкрепляется материалами из научных статей журналов, которые доступны на сайтах научных баз данных, поисковых систем, издательств, в том числе и на сайте научной библиотеки СФУ (www.lib.sfu-kras.ru).

Тему реферата студент выбирает самостоятельно из представленных выше или предлагает свою) и утверждает у преподавателя в течении первых двух недель обучения.

Реферат должен быть оформлен в соответствии с требованиями оформления студенческих текстовых документов, объемом не менее 20 машинописных страниц.

Реферат включает следующие структурные элементы: Титульный лист, Содержание, Введение, Обзор литературы, Заключение, Библиографический список, Приложения. Подробное описание структуры реферата по дисциплине «Математическое моделирование биотехнологических процессов » представлено в методических указаниях по самостоятельной работе и организационно-методических указаниях по дисциплине «Математическое моделирование биотехнологических процессов ».

Реферат должен сопровождаться библиографическим списком, который составляют в соответствии с ГОСТ 7.12003 «Библиографическая запись. Библиографическое описание» .

1. Для защиты реферата студент готовит презентационные материалы, оформленные в виде последовательности слайдов, демонстрируемых на экранах для аудитории слушателей. Электронные презентационные материалы (ЭПМ) разрабатываются как средство сопровождения общения докладчика с аудиторией, при этом современные ЭПМ должны предоставлять докладчику возможность произвольно регулировать темп изложения материала, частоту смены слайдов, а также дополнять письменно или устно сведения, представленные на слайдах. ЭПМ являются средством, предоставляющим возможность наглядного сопровождения образовательного и научного процесса с применением мультимедийных технологий, в том числе с использованием графических образов, что особенно важно при изучении дисциплины «Математическое моделирование биотехнологических процессов », поскольку появляется возможность понять на молекулярном уровне, например с помощью специальных мультимедийных элементов, основные механизмы, лежащие в основе биологических процессов. При подготовке рефератов рекомендуется использовать лицензионное программное обеспечение СФУ.
Организация самостоятельной работы производится в соответствии с графиком учебного процесса и самостоятельной работы, представленного в Приложении 1.

скачать файл


следующая страница >>
Смотрите также:
Рабочая программа дисциплины дисциплина дв4 Математическое моделирование биотехнологических процессов
412.47kb.
Рабочая программа дисциплины б5 «Математическое моделирование» (индекс)
113kb.
Моделирование
112.88kb.
Рабочая программа по дисциплине ен. Р. 01. Экономико-математическое моделирование по специальности
126.9kb.
Вопросы к экзамену по дисциплине «математическое моделирование химических процессов»
39.51kb.
Программа дисциплины Численно-аналитические методы моделирования для специальности 230401
248.97kb.
Программа дисциплины «Математическое моделирование» для направления 010400. 62 «Прикладная математика и информатика» подготовки бакалавра
401.89kb.
Программа дисциплины «Имитационное моделирование» для направления 010400. 68 «Прикладная математика и информатика» подготовки магистра
152.32kb.
Математическое моделирование струйного обтекания тел цилиндрической формы / Афанасьев А. В., Афанасьева В. В. // Вестник Харк нац ун-та., 2007. №780. Сер. Математическое моделирование. Информационные технологии
11.8kb.
Рабочая программа дисциплины
335.29kb.
Рабочая программа учебной дисциплины ценообразование в маркетинге
341.42kb.
Рабочая программа дисциплины дисциплина б. 3 «Спецглавы физических и химических наук» Укрупненная группа 020000 «Естественные науки»
547.33kb.