Теоретические основы биотехнологии

УТВЕРЖДАЮ

Декан ХТФ

_______________

«_____» ______________2009 г.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Рабочая программа для специальности 240901 – «Биотехнология»

Факультет – Химико-технологический (ХТФ)

Обеспечивающая кафедра – Органической химии и технологии органического синтеза (ОХОС)

Курс – четвертый

Семестр – седьмой

Учебный план набора 2007 года

Распределение учебного времени

Лекции - 48 часов

Практические занятия - 24 часов

Всего аудиторных занятий 72 часа

Самостоятельная (внеаудиторная) работа - 112 часа

Общая трудоемкость 184 часа

Экзамен в 7 семестре

Томск 2009

Предисловие

1. Рабочая программа составлена на основе ГОС ВПО для специальности 240901 – «Биотехнология» и РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры органической химии и технологии органической химии 02г., протокол

2. Разработчики

доцент каф. ОХОС

доцент каф. ОХОС

3. Зав. обеспечивающей каф. ОХОС

4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. выпускающей кафедрой ОХОС

УДК 574.6 Ключевые слова: метаболизм, метаболический путь, дыхание, биосинтез, транспорт, стехиометрия, материальный баланс, кинетика, идеальный реактор, биомасса, модель, продукты метаболизма.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

240100 (с)

Каф. ОХОС ХТФ

Доцент, к. х.н.

Доцент, к. х.н.

Тел. (38

Цель: формирование знаний и умений в области описания биохимических процессов и способов управления современными биотехнологическими производствами.

Содержание: основные биохимические процессы, протекающие в клетке продуцентов и способы управления процессами за счет внешних воздействий; кинетика роста микроорганизмов и возможности управления процессами их развития при использовании различных методов и способов культивирования.

Курс сем. – экзамен).

Всего 184 ч., в т. ч. Лк. 48 ч., Пр. 24 ч.

Цели преподавания дисциплины

Целью изучения курса “Теоретические основы биотехнологии” является повышение качества подготовки инженеров-биотехнологов для научно-исследовательской, проектно-конструкторской и практической работы на биотехнологических предприятиях.

Для полноценного усвоения данного курса важное значение имеют такие дисциплины, как «Микробиология и общая биология», «Общая химическая технология», и «Физическая химия».

Задачами изучения дисциплины является знание следующих вопросов:

– стехиометрии и энергетики метаболических превращений;

– кинетики процессов утилизации субстрата, образования продуктов метаболизма и биомассы в культурах клеток.

После изучения данной дисциплины студент должен знать и уметь использовать:

– основные биохимические процессы, протекающие в клетке, материальный баланс по элементам и клеточный рост, стехиометрию процессов образования продуктов метаболизма, кинетические закономерности роста микробной культуры, кинетику роста клеток при различных режимах культивирования, кинетику образования основных продуктов метаболизма;

иметь опыт:

– описания биохимических процессов, происходящих в клетке;

– оценки количества выделяющейся теплоты и соответствующих экономических коэффициентов для проведения определенного биотехнологического процесса.

Задачи изложения и изучения дисциплины

Для достижения целей при совместной и индивидуальной познавательной деятельности студентов в части овладения теоретическими знаниями и практическими умениями используются лекции, тесты и контрольные задания для проверки знаний студентов.

Для закрепления теоретических знаний, полученных на лекциях, в курсе предусмотрено проведение практических занятий в совместной и индивидуальной (самостоятельной) формах.

Содержание теоретического раздела дисциплины (лекции)

I. Введение.

Метаболизм. Основные пути метаболизма. Анаболизм и катаболизм. Классификация микроорганизмов в зависимости от источника углерода и энергии.

II. Стехиометрия и энергетика метаболических превращений.

Взаимосвязанность метаболических реакций. АТФ и другие фосфаты. Окисление и восстановление; сочетание с превращением НАД.

Катаболизм углерода. Метаболический путь Эмбдена–Мейергофа–Парнаса (ЭМП). Гликолиз. Пентозофосфатный путь. Катаболизм лактозы. Катаболизм рибозы.

Дыхание. Цикл трикарбоновых кислот. Дыхательная цепь.

Фотосинтез. Световой и темновой процессы.

Биосинтез. Биосинтез низкомолекулярных соединений. Биосинтез аминокислот. Биосинтез нуклеотидов. Биосинтез жирных кислот. Биосинтез глюкозы и родственных соединений. Синтез макромолекулярных соединений.

Транспорт через клеточные мембраны. Мембраны, строение мембран. Пассивная диффузия и сопряженный транспорт. Активный транспорт.

Организация и регуляция метаболизма. Ключевые точки пересечения и разветвления метаболических путей.

Конечные продукты метаболизма. Продукты анаэробного метаболизма (брожения). Частичное окисление и его конечные продукты. Синтез вторичных метаболитов.

Стехиометрия клеточного роста и образования продуктов метаболизма. Общая стехиометрия клеточного роста; состав среды и коэффициенты выхода. Материальный баланс по элементам и клеточный рост. Стехиометрия процессов образования продуктов метаболизма. Стехиометрия энергетического обмена; оценка количества выделяющейся теплоты и соответствующих экономических коэффициентов.

II. Кинетика процессов утилизации субстрата, образования продуктов метаболизма и биомассы в культурах клеток.

Некоторые кинетические закономерности роста микробной культуры. Основные закономерности роста микробной культуры. Периодический режим культивирования. Культивирование микроорганизмов в непрерывном режиме. Культура полного вытеснения (тубулярная культура). Хемостатное культивирование.

Идеальные реакторы для изучения кинетики клеточного роста. Идеальный реактор периодического действия. Идеальный проточный реактор с полным перемешиванием.

Кинетика сбалансированного роста. Уравнение Моно для кинетики клеточного роста. Влияние эндогенного метаболизма и метаболизма поддержания на кинетику клеточного роста. Влияние температуры и рН среды на кинетику клеточного роста.

Кинетика клеточного роста в переходном состоянии. Основные фазы роста клеток в реакторах периодического действия. Неструктурированные модели клеточного роста в периодических процессах. Рост филаментозных организмов.

Структурированные модели кинетики клеточного роста. Компартментальные модели. Метаболические модели.

Кинетика образования продуктов метаболизма. Неструктурированные модели. Структурированные модели.

Кинетика тепловой гибели клеток и спор.

Содержание практического раздела дисциплины

ТЕМАТИКА СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ (24 ч)

1. Основные пути катаболизма углерода. Путь Эмбдена–Мейергофа–Парнаса (ЭМП). Пентозофосфатный цикл. Фосфокетолазный путь. (2 час.)

2. Дыхание. Цикл трикарбоновых кислот. Дыхательная цепь. (2 час.)

3. Биосинтез низкомолекулярных соединений: биосинтез аминокислот, жирных кислот, глюконеогенез. (2 час.)

4. Транспорт через клеточные мембраны: пассивная диффузия, сопряженный транспорт, активный транспорт. (2 час.)

5. Идеальные реакторы для изучения кинетики клеточного роста: идеальный реактор периодического действия; идеальный проточный реактор с полным перемешиванием. (4 час.)

6. Уравнение Моно для кинетики клеточного роста. (4 час.)

7. Кинетика образования продуктов метаболизма. Неструктурированные и структурированные модели. (4 час.)

6. Рубежные контроли. (4 час.)

Практические занятия посвящаются проработке наиболее сложных в теоретическом плане проблем и проводятся в двух формах:

1) объяснение наиболее сложных вопросов по данной теме у доски и

2) самостоятельная работа студентов с использованием литературы и консультаций преподавателя.

Программа самостоятельной познавательной деятельности

Самостоятельная (внеаудиторная) работа студентов состоит в проработке лекционного материала, подготовке к практическим занятиям и рубежным контролям. Она составляет 112 часа и включает следующие пункты:

1) подготовка к лекциям (10 час)

2) подготовка к практическим занятиям (20 час.)

3) подготовка к текущему контролю (10 час)

4) подготовка рефератов (20 час)

5) подготовка к рубежным контролям (32 час.)

6) подготовка к экзамену (20 час)

Планирование самостоятельной работы по дисциплине

Тема самостоятельной работы	Вид занятия	Технология организации самостоятельной работы	Контроль результатов самостоятельной работы	Бюджет времени, час.
Подготовка к лекциям	домашняя работа	Проработка дополнительной литературы		10
Подготовка к текущему контролю	домашняя работа	Проработка курса лекций материалов учебников	Сам. работа	10
Подготовка к практическим занятиям	домашняя работа	Проработка курса лекций материалов учебников	решение задач и ответы на вопросы	20
Подготовка к контрольной работе № 1	домашняя работа	Проработка курса лекций и учебников	контрольная работа № 1	16
Подготовка к контрольной работе № 2	домашняя работа	Проработка курса лекций и учебников	контрольная работа № 2	16
Подготовка рефератов	домашняя работа	Работа с научной литературой	представление в письменном виде	20
Подготовка к экзамену	домашняя работа	Проработка курса лекций и учебников	экзамен	20

Примерные темы рефератов:

1. Фитотрофные бактерии и фотосинтез

2. Клетка и ее структура.

3. Прокариоты.

4. Вирусы.

Текущий и итоговый контроль результатов изучения дисциплины

При изучении курса “Теоретические основы биотехнологии” используется рейтинговая система оценка знаний студентов. В течение семестра студент может набрать 1000 баллов.

Рейтинг практических занятий (РПЗ) складывается из оценок на тех практических занятиях, которые проводятся как самостоятельные аудиторные работы под контролем преподавателя. Максимальная оценка одного занятия 30 баллов. Поскольку в семестре проводится 7 таких занятий, то максимальный РПЗ равен 210 баллов.

В семестре студенты выполняют 2 рубежные контроля, максимальный РРК каждого из которых равен 200 баллов, следовательно, общий РРК равен 400 баллов.

В конце семестра подсчитывается рейтинг семестра (РС), максимальное значение которого 610 баллов:

РС = РПЗ + РРК = 210 + 400 = 610 б.

Студент допускается к сдаче экзамена, если он полностью выполнил учебный план и его рейтинг (РС) более 400 баллов.

Максимальный рейтинг экзамена (РЭ) 390 баллов. Форма проведения экзамена – устная. Экзамен считается сданным, если его оценка не менее 250 баллов. Эта оценка суммируется с рейтингом семестра и подсчитывается общий рейтинг: ОР = РС + РЭ.

Общий рейтинг переводится в оценку по соотношению:

Более 900 баллов ОТЛИЧНО

от 750 до 900 баллов ХОРОШО

от 650 до 750 баллов УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО

Если оценка экзамена менее 250 баллов, то экзамен считается не сданным, и студент теряет рейтинг семестра. Преподаватель имеет право выставить студенту оценку «отлично» без экзамена, если рейтинг студента за семестр равен 610 баллов.

Контролирующие материалы

В соответствии с рейтинговой системой при изучении курса «Теоретические основы биотехнологии» проводятся 2 рубежные контрольные работы. Рубежные контроли проводятся в часы практических занятий, в письменной форме и включают задания по одному разделу.

В контрольную работу № 1 входят вопросы по разделу «Стехиометрия и энергетика метаболических превращений» (всего 4 вопроса – 200 баллов).

В контрольную работу № 2 входят вопросы по разделу «Кинетика процессов утилизации субстрата, образования продуктов метаболизма и биомассы в культурах клеток» (всего 4 вопроса – 200 баллов).

По каждому рубежному контролю имеются 15 вариантов заданий, так что каждый студент работает над своим вариантом, что исключает списывание друг у друга. Вариант содержит теоретические вопросы, охватывающие тему или блок тем, изученных на лекциях.

Итог изучения курса – экзамен – проводится в период экзаменационной сессии. Экзамен проводится в устной форме. Экзаменационные билеты включают теоретические вопросы, охватывающие материал 2 разделов.

Образцы контролирующих материалов

Входной контроль

Билет № 1

1. Типы микроорганизмов. Примеры.

2. Основные источники химических элементов для роста микроорганизмов.

3. Основные продукты клеточного метаболизма.

4. Принципы термодинамики.

Контрольная работа № 1 «Стехиометрия и энергетика метаболических превращений»

Билет №1

1. АТФ и НАД. Их роль в метаболических реакциях.

2. Дыхательная цепь.

3. Биосинтез пальмитиновой кислоты.

4. Спиртовое брожение.

Контрольная работа № 2 «Кинетика процессов утилизации субстрата, образования продуктов метаболизма и биомассы в культурах клеток»

Билет №1

1. Основные параметры, определяющих кинетику роста популяции клеток.

2. Культура полного вытеснения (тубулярная культура).

3. Идеальный реактор периодического действия.

4. Кинетика тепловой гибели клеток и спор.

Экзаменационные билеты ХТФ	ЭБ ТПУ 8.4
Томский политехнический университет	ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1 по дисциплине «Теоретические основы биотехнологии» курс 4
1. Материальный баланс по элементам для роста клеток в аэробных условиях.
2. Уравнение Моно для кинетики клеточного роста..
Составитель, доцент ______________ // Утверждаю: Зав. кафедрой ОХОС _____________ // «__» ___________ 2009 г.

Учебно-методическое обеспечение дисциплины

В каталоге НТБ ТПУ имеется около 6 наименований учебников и учебных пособий, относящихся к данной дисциплине.

Однако эти пособия, разные по качеству, стилю и манере изложения материала, количеству экземпляров, чаще всего не соответствуют или не вполне соответствуют рабочей программе дисциплины. Поэтому кафедра ОХОС создает собственный учебно-методический комплекс (УМКД) по дисциплине «Теоретические основы биотехнологии» для студентов очного обучения.

Основными компонентами УМКД являются:

1) Описание дисциплины.

2) Рабочая программа дисциплины.

2) Учебно-методическая карта дисциплины.

3) Рейтинг-лист.

4) Лекции в Power Point по дисциплине «Теоретические основы биотехнологии».

Дополнительными компонентами УМКД являются:

1) Задания для рубежных и итогового контролей.

Перечень используемых информационных продуктов

1.  Power Point – для презентаций материала лекций;

2.  Chem Draw Ultra 9 – для написания химических формул.

Перечень рекомендуемой литературы

Основная литература:

1. Дж. Бейли. Д. Оллис. Основы биохимической инженерии. Тт. 1,2. – М.: Мир, 1989.

2. Ф. Уэбб. Биохимическая технология и микробиологический синтез. – М.: Медицина, 1969.

3. . Основы биотехнологии. Санкт–Петербург: Наука, 1995. – 600 с.

4. Бирюков промышленной биотехнологии : учебное пособие / . — М. : КолосС, 2004. — 295 с. : ил. — (Для высшей школы).

5. Егорова биотехнологии: учебное пособие для вузов / , , . — 4-е изд., стер. — М. : Академия, 2008. — 208 с.

Дополнительная литература:

1.  . Биотехнология. Часть 1. Культивирование продуцентов и очистка продуктов: Учебное пособие/Новосибирский гос. ун-т. Новосибирск, 2000, 108 с.

2. Сазыкин : учебное пособие / , , ; под ред. - М. : Академия, 2с. : ил. - (Высшее профессиональное образование. Медицина).

3. Аранская задач и упражнений по химической технологии и биотехнологии: Учебное пособие. – Минск: Университетское, 1989. – 310 с.

4. . Биотехнология. Часть 1. Культивирование продуцентов и очистка продуктов: Учебное пособие/Новосибирский гос. ун-т. Новосибирск, 2000, 108 с.