О дисциплине

1
Наименование дисциплины
Основы биотехнологии_
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Рекомендуется для направления (ий) подготовки (специальности (ей))
____________________04.06.01 Химические науки____________________
_____________________________________________
(указываются код и наименования направления(ий)
подготовки (специальности (ей) и/или профилей (специализаций)
Квалификация (степень) выпускника
магистр
(указывается квалификация (степень) выпускника в соответствии с ФГОС)
2
1. Цели и задачи дисциплины: Основной целью курса является формирование у студентовхимиков общих представлений о современной биотехнологии, которую называют технологией
ХХIвека, благодаря её огромным и практически неограниченным возможностям производить не
только уникальные химические продукты, но и усовершенствовать уже освоенные химической
технологией процессы. Незаменима роль биотехнологии в решении экологических проблем,
связанных с различными областями хозяйственной деятельности человека.
2. Место дисциплины в структуре ООП: Курс Основы биотехнологии является спецкурсом,
позволяющим студентам-химикам ознакомиться с основами смежной дисциплины, в которой
могут быть реализованы их знания в будущем. Для освоения этого курса в программе их
обучения имеются следующие базовые дисциплины: Химические основы жизнедеятельности,
Органическая химия, Физическая химия, Общая химическая технология, Основы химии
лекарств.
(указывается цикл, к которому относится дисциплина; формулируются требования к входным
знаниям, умениям и компетенциям студента, необходимым для ее изучения; определяются
дисциплины, для которых данная дисциплина является предшествующей)
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ПК-1, ПК-2, ПК-5, ПК-10, ПК-14, ПК-13, ПК-16
(указываются в соответствии с ФГОС ВПО)
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: Классификацию микроорганизмов, способы их культивирования, схемы технологических
процессов, обеспечивающих получение важных для жизнеобеспечения человека продуктов.
Уметь: Разбираться в терминах и принципах, лежащих в основе биотехнологического
производства.
Владеть: Способностью и готовностью разбираться в литературе, связанной с
микробиологическим экспериментом, а также решать практические задачи.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет _2 _________ зачетные единицы.
Вид учебной работы
Всего
Семестры
часов
Х
28
28
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к контрольным и лабораторным
работам
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
5. Содержание дисциплины
28
-
28
44
44
20
12
20
8
12
72
72
2
2
8
-
-
-
-
-
-
3
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
Наименование раздела
Содержание раздела
п/п дисциплины
1. Введение
Биотехнология и её место среди современных
технологических
производств.
История
развития и становления современного
микробиотехнологического синтеза. Бурное
развитие биотехнологии в XX веке в связи с
достижениями биохимии, генетики, и
молекулярной
биологии.
Перспективы
развития
биотехнологии
и
области
применения биотехнологических продуктов.
Международное сотрудничество в области
развития биотехнологии
и
подготовки квалифицированных кадров.
Спрос на мировом рынке на продукцию
биотехнологии.
2.
. Микроорганизмы объекты
биотехнологических
производств.
3.
Культивирование
микроорганизмов
4.
Основные
этапы
биотехнологических
производств
Классификация микроорганизмов. Прокариоты,
эукариоты, археобактерии. Особенности клеточного
метаболизма. Биологическое единство всего живого на
земле. Трофические цепи и круговорот элементов в
природе. Возможности использования микроорганизмов
и их метаболитов для удовлетворения различных
потребностей человека. Промышленные штаммы
микроорганизмов. Источники получения, критерии
отбора. Селекция продуктивных штаммов.
Рекомбинантные методы улучшения производственных
характеристик микроорганизмов. Клеточная инженерия.
Генетическая инженерия. Создание генно-инженерных
мутантов, как биотехнологических продуцентов
Особенности
микробного
роста.
Периодические и непрерывные культуры.
Питательные среды. Поверхностное и
глубинное культивирование. Аэробы и
анаэробы. Управляемое культивирование.
Компоненты биотехнологического процесса.:
штамм-продуцент
(засевной
материал).
Сырьё для получения питательной среды,
оборудование
для
культивирования
микроорганизмов и выделения готового
продукта.
Хранение
чистых
культур
штаммов
продуцентов.
Выращивание
засевного
материала (инокулята) в цехе чистой
культуры. Инокулирование (засев) главного
реактора
(ферментера).
Подготовка
питательных
сред
природных
и
искусственных.
Использование
отходов
пищевой и химической промышленности в
качестве питательных сред. Стерилизация.
4
5.
Производство
микробной
биомассы
6.
Технология бродильных
производств
7.
Микробное
Ферментация
основная
стадия
биотехнологического процесса. Биореакторы
(ферментеры)
периодического
и
непрерывного
действия.
Конструкции
ферментеров, обеспечивающие оптимальные
условия протекания ферментации. Системы
отвода
тепла,
аэрации,
пеногашения.
Особенности перемешивания культуральной
жидкости. Типы мешалок для ферментеров.
Выделение продуктов биотехнологических
производств: биомассы и метаболитов.
Фильтрация,
упаривание,
высушивание.
Получение
товарных
форм.
Микробиологические и технологические
факторы, влияющие на производительность и
экономичность
биотехнологических
процессов.
Способы
оценки
производительности
периодических
и
непрерывных производств.
Белок одноклеточных - белково-витаминный
концентрат (БВК) -- пищевая добавка для
корма скота. Субстраты для производства
БВК,
их
доступность,
сравнительная
экономическая оценка вклада стоимости
субстрата в цену биомассы.
Белок одноклеточных - пищевые добавки для
человека. Дрожжи рода сахаромицет пищевая добавка для человека. Спирулина и
пивные дрожжи -- источники витаминов.
Использование в медицине. Грибной белок.
Энзиматически
активная
биомасса.
Пекарские дрожжи для хлебопечения.
Особенности культивирования. Товарные
формы. Бактериальные удобрения. Бактерии
диазотрофы.
Особенности
процесса
азотфиксации,
нитрогеназа.
Получение
бактериальных
удобрений
на
основе
клубеньковых
бактерий-симбионтов
растений.
Азотобактеры,
особенности
культивирования.
Усовершенствование
штаммов - азотфиксаторов.
Биоинсектициды. Бактериальные, грибные и
вирусные инсектициды. Условия сохранения
инсектицидной активности
Спиртовое брожение. Химизм процесса.
Производство пива, вина, этанола, глицерина.
Молочнокислое брожение. Производство
молочной
кислоты
и
кисломолочных
продуктов. Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение. Химизм процесса.
Применение продуктов брожения
Производство пищевого уксуса, пропионовой
5
окисление
органических
веществ в аэробных
условиях.
кислоты, ацетона, D-фруктозы, D-глюкозы, и
других продуктов.
8.
Ферменты
биотехнологии
Микроорганизмы
как
источники
ферментов.
Внеклеточные
и
внутриклеточные ферменты. Выделение и
придание хранящейся формы ферментным
препаратам. Папаин, пепсин, трипсин
амилазы,
липазы,
протеазы,
глюкозооксидазы,
инвертазы.
Типы
ферментных препаратов, используемых в
биотехнологии. Иммобилизованные клетки и
ферменты. Способы их закрепления на
носителях.
Современные
технологии,
основанные
на
применении
иммобилизованных ферментов.
Технология получения глюкозо-фруктозного
сиропа. Производство безлактозного молока,
искусственного подсластителя аспартама.
Ферменты, как лекарственные препараты.
Ферменты
катализаторы
процессов
органического синтеза.
9.
Производство
аминокислот
Аминокислоты и их использование в
пищевой промышленности и медицине.
Незаменимые аминокислоты. Химический и
микробиологический синтез аминокислот.
Получение L-глутаминовой кислоты с
использованием
диких
штаммов
коринебактерий.
Использование
ауксотрофных мутантов для биосинтеза Lлизина.
10.
Производство
антибиотиков
Антибиотики
низкомолекулярные
продукты
вторичного
микробного
метаболизма. Физиологическое
действие
антибиотиков. Выделение, селекция и
мутация
штаммов микроорганизмовпродуцентов
антибиотиков
и
их
культивирование.
Пенициллины.
Микробиологическое
производство
пенициллина. Фермент пенициллаза. Синтез
аналогов пенициллина. Ферментативный
способ получения 6-аминопенициллановой
кислоты и её ацилированние.
Стадии производства антибиотиков. Условия
проведения
ферментации,
особенности
выделения готового продукта.
11.
Производство гормонов
Инсулин-гормон
в
поджелудочной
железы.
6
Биосинтез и физиологическое действие.
Установление строения и синтез инсулина.
Выделение инсулина из поджелудочной
железы домашних животных. Свиной
инсулин. Микроорганизмы с рекомбинантной
ДНК,
содержащей
ген
человеческого
инсулина. Экономическая характеристика
различных способов производства инсулина.
Интерферон-гормон иммунной системы,
образование
в
организме
и
его
физиологическое действие. Производство
лейкоцитарного интерферона из донорской
крови. Ген интерферона и синтез копии
ДНК
интерферона
на
мРНК.
Микроорганизмы с рекомбинантной ДНК с
геном
интерферона.
Биотехнология
производства интерферона, особенности его
выделения и очистки.
Соматотропин (гормон роста). Выделение
соматотропина из трупного материала.
Биотехнологический способ производства
соматотропина.
12.
Биотехнология
энергетике
13.
. Биометаллургия
в
Микробиологическое
обессеривание
каменных углей. Применение метанотрофных
микроорганизмов
для
ассимиляции
рудничного газа.
Применение
микроорганизмов
в
нефтедобывающей промышленности для
полноты извлечения нефти из нефтяных
скважин.
Производство этанола из биомассы и
использование его в качестве жидкого
топлива.
Метановое брожение. Химизм брожения.
Производство
биогаза.
Сырьё,
конструкции
метантанков и технология проведения
процессов.
Проблема микробиологического фотолиза
воды с целью получения водорода.
Фотохромные материалы и красители.
Бактериородопсин.
Применение
бактериородопсина
для создания фотохромных материалов.
Выделение гена, кодирующего синтез
индиго.
Создание бактерии - продуцента индиго.
Хемотрофные
бактерии.
Микробиологическое выделение из бедных
руд, а также из отходов (отвалов)
7
металлургических производств: меди, урана,
свинца, цинка, серебра, золота, марганца.
14.
Экология и биотехнология
Условия производственной и экологической
безопасности
биотехнологических
производств.
Микробиологическая очистка сточных вод и
экономически рентабельное использование
многотоннажных отходов производственной
и бытовой деятельности человеческого
общества.
(Содержание указывается в дидактических единицах. По усмотрению разработчиков материал
может излагаться не в форме таблицы)
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими)
дисциплинами
№ Наименование
№ № разделов данной
п/п обеспедисциплины, необходимых для
чивающих
изучения обеспечивающих
дисциплин
дисциплин
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1. Органическая
+ + + + + + +
химия
2. ХОБП
+ + + + + + + +
3. Химия
+ + + +
лекарств
4. Общая
+ +
химическая
технология
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
п/п
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
Семин
СРС
1.
2.
Введение
Микроорганизмы объекты
биотехнологических
производств.
4
4
Всего
час.
4
4
3.
4.
Культивирование микроорганизмов
Основные
этапы
биотехнологических
производств
4
4
4
4
5.
Производство микробной
биомассы
2
2
8
6.
Технология бродильных
производств
Микробное
окисление
органических веществ в
аэробных условиях.
4
8
2
2
8.
Ферменты
биотехнологии
4
4
9.
Производство
аминокислот
2
2
10.
Производство
антибиотиков
2
2
11.
12.
Производство гормонов
Биотехнология
в
энергетике
2
2
2
2
13.
Биометаллургия
2
2
14.
Экология
биотехнология
2
2
7.
в
и
28
6. Лабораторный практикум
Нет.
7. Практические занятия (семинары) не предусмотрено планом
Вопросы для самоподготовки по темам дисциплины
Тема 1-3.
1. Дайте определение биотехнологии.
2. Перечислите объекты биотехнологии, охарактеризуте их размеры.
3. Опишите строение прокариотической клетки.
4. В чём отличие животных клеток от клеток грибов и растений?
5. Какие организмы относят к фототрофам и автотрофам?
6. Дайте определение первичной структуре белка. Приведите фрагмент структуры полиаланина.
Какие связи образуются при формировании первичной структуры.
7. Что такое домены?
8. Приведите классификацию белков по составу и форме.
9. Почему амилоза имеет линейное строение, а гликоген – разветвлённое? Приведите формулу
трисахарида, содержащего 1,4- и 1,6-гликозидные связи. Моносахаридные звенья изображайте в
виде формул Хеуорса.
10. Изобразите структурную формулу уридин-5’-фосфата. Какие функции выполняют моно- и
динуклеотиды в организме.
Тема 4-8.
1. Опишите процесс получения чистых культур организма-продуцента.
2. Приведите пример смешанной культуры. В каких биотехнологических процессах они
применяются?
3. Что такое меласса и в чём преимущества её использования в качестве питательной среды?
9
4. Опишите, какие режимы используются для проведения ферментации. Приведите схемы
соответствующих установок и укажите преимущества каждого режима.
5. Напишите схему спиртового брожения. Опишите подробно стадии гликолиза, протекающие с
образованием АТФ. Какие ферменты участвуют в превращении пирувата в этанол? Какие
организмы осуществляют спиртовое брожение?
6. Дайте определения следующим терминам: фермент, кофермент, апофермент. Каково
происхождение слова «энзим»?
7. Охарактеризуйте реакционную специфичность трансфераз, лиаз и изомераз.
8. Что такое каталитическая триада сериновых протеиназ и как она работает?
8. Примерная тематика рефератов.
1. Биометаллургия
Хемотрофные бактерии. Микробиологическое выделение металлов из бедных руд, а
также из отходов (отвалов) металлургических производств: меди, урана, свинца,
цинка, серебра, золота, марганца.
2. . Экология и биотехнология
Условия производственной и экологической безопасности биотехнологических
производств.
Микробиологическая очистка сточных вод и экономически рентабельное
использование многотоннажных отходов производственной и бытовой деятельности
человеческого общества.
3. Биотехнология в энергетике
Проблема микробиологического фотолиза воды с целью получения водорода.
Фотохромные
материалы
и
красители.
Бактериородопсин.
Применение
бактериородопсина
для создания фотохромных материалов.
4. Производство антибиотиков
Антибиотики
низкомолекулярные
продукты вторичного
микробного
метаболизма. Физиологическое действие антибиотиков. Выделение, селекция и
мутация
штаммов микроорганизмов-продуцентов антибиотиков и их
культивирование. Пенициллины. Микробиологическое производство пенициллина.
Фермент пенициллаза. Синтез аналогов пенициллина. Ферментативный способ
получения 6-аминопенициллановой кислоты и её ацилированние.
Стадии производства антибиотиков. Условия проведения ферментации, особенности
выделения готового продукта.
5. Производство гормонов
Инсулин-гормон поджелудочной железы. Биосинтез и физиологическое действие.
Установление строения и синтез инсулина. Выделение инсулина из поджелудочной
железы домашних животных. Свиной инсулин. Микроорганизмы с рекомбинантной
ДНК, содержащей ген человеческого инсулина. Экономическая характеристика
различных способов производства инсулина.
Интерферон-гормон иммунной системы, образование в организме и его
физиологическое действие. Производство лейкоцитарного интерферона из донорской
крови. Ген интерферона и синтез копии ДНК интерферона на мРНК.
Микроорганизмы с рекомбинантной ДНК с геном интерферона. Биотехнология
производства интерферона, особенности его выделения и очистки.
Соматотропин (гормон роста). Выделение соматотропина из трупного материала.
Биотехнологический способ производства соматотропина.
6. Технология бродильных производств.
Спиртовое брожение. Химизм процесса. Производство пива, вина, этанола, глицерина.
Молочнокислое брожение. Производство молочной кислоты и кисломолочных
продуктов. Маслянокислое и ацетоно-бутиловое брожение. Химизм процесса.
10
Применение продуктов брожения.
Микробное окисление органических веществ в аэробных условиях.
Производство пищевого уксуса, пропионовой кислоты, ацетона, ацетона, D-фруктозы,
D-глюкозы, и других продуктов.
7. Ферменты в биотехнологии
Микроорганизмы как источники ферментов. Внеклеточные и внутриклеточные
ферменты. Выделение и придание хранящейся формы ферментным препаратам.
Папаин, пепсин, трипсин амилазы, липазы, протеазы, глюкозооксидазы, инвертазы.
Типы ферментных препаратов, используемых в биотехнологии. Иммобилизованные
клетки и ферменты. Способы их закрепления на носителях. Современные технологии,
основанные на применении иммобилизованных ферментов.
Технология получения глюкозо-фруктозного сиропа. Производство безлактозного
молока, искусственного подсластителя аспартама. Ферменты, как лекарственные
препараты. Ферменты - катализаторы процессов органического синтеза.
8. Производство аминокислот
Аминокислоты и их использование в пищевой промышленности и медицине.
Незаменимые аминокислоты. Химический и микробиологический синтез
аминокислот. Получение L-глутаминовой кислоты с использованием диких штаммов
коринебактерий. Использование ауксотрофных мутантов для биосинтеза L-лизина.
Требования к выполнению реферата.
1.Объем реферата не более 15 страниц.
2.В реферате должны быть отражены следующие моменты:
а)значение того или иного производства для обеспечения нужд народного хозяйства;
б)преимущества биотехнологического производства продукта перед другими
способами его производства;
в)виды микроорганизмов, используемые в производстве, особенности культурных
штаммов и способы их модификации, для создания наиболее продуктивных;
г)технологическая схема процесса и особенности выделения продукта;
д)выводы.
е) список цитируемой литературы или интернет ресурса обязателен.
Доклады по теме реферата приравниваются к зачету.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб: Наука, 1995.
2. Н.С.Простаков, Т.Н. Борисова Основы биотехнологии:Учебное пособие – М.,Изд РУДН,1992.
3. Т.Г.Волова. Биотехнология. Новосибирск: изд.СО РАН, 1999.
б) дополнительная литература
1. Г. Шлегель. Общая микробиология. М., «Мир», 1987
2.Биотехнология. Принципы и применение. М., «Мир», 1988.
в) программное обеспечение___________________________________________________
_____________________________________________________________________________
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
1. http://www.chem.msu.ru
2. https://www.reaxys.com
3. http://www.biotechnolog.ru/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
_____________________________________________________________________________
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
11
(указываются рекомендуемые модули внутри дисциплины или междисциплинарные модули, в
состав которых она может входить, образовательные технологии, а также примеры
оценочных средств для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации)
Тесты рубежного контроля.
1. Высокий уровень продуктивности и энергообмена , бактерий связан с тем, что:
A)
B)
C)
D)
бактерии – это прокариоты
у бактерий высокое соотношение площади поверхности к объему клетки
бактерии проще устроены, чем эукариоты
бактерии лучше защищены от продуктов перекисного окисления, выделяющихся при
высоком уровне обмена.
2. Для получения больших масс бактериальных клеток обычно применяют культивирование:
A)
B)
C)
D)
на твердой среде
на жидкой среде
на пористых носителях
в аэрозольной культуре
3. Число бактерий на 1 см3 культуры в ферментере в процессе роста культуры определяют с
помощью:
A)
B)
C)
D)
подсчета числа клеток под микроскопом с использованием камеры Горяева
подсчета числа клеток под микроскопом после приготовления мазка
высушивания аликвоты жидкости и определения массы сухого остатка
измерения светорассеяния среды
4. Генетически однородная популяция бактерий, полученная из одной клетки называется:
A)
B)
C)
D)
Штаммом
Клоном
Видом
семейством
5. Лиофилизация бактерий это:
A) замораживание бактерий
B) замораживание бактерий с последующей сушкой под вакуумом
C) замораживание бактерий с последующей экстракцией липидов органическими
растворителями
D) высушивание бактерий в потоке теплого воздуха
6. Криоконсервация бактерий это
A) замораживание бактерий
B) замораживание бактерий с последующей сушкой под вакуумом
C) замораживание бактерий с последующей экстракцией липидов органическими
растворителями
D) высушивание бактерий в потоке теплого воздуха
7. После завершения культивирования бактериальную массу отделяют от среды с помощью:
12
A)
B)
C)
D)
электрофореза
центрифугирования
хроматографии
электрокоагуляции
8. Назовите наиболее часто используемый для получения биологически активных веществ класс
микроорганизмов среди ниже перечисленных
A)
B)
C)
D)
миксобактерии
нанобактерии
актиномицеты
микоплазмы
9. Аппарат для промышленного культивирования бактерий называется
A)
B)
C)
D)
промышленный термостат
бактериокультиватор
ферментер
бактериостат
10. Силосование кормов для животных сопряжено с процессом:
A)
B)
C)
D)
E)
F)
аэробной ферментации
аэробного дыхания
аутолиза клеток
молочнокислого брожения
маслянокислого брожения
уксуснокислого брожения
11. Потеря питательных веществ в процессе заготовки корма из зеленой растительной массы
происходит вследствие:
A)
B)
C)
D)
E)
F)
аэробной ферментации
аэробного дыхания
молочнокислого брожения
аутолиза клеток
маслянокислого брожения
уксуснокислого брожения
12. Жизнеспособность бактерий лучше всего сохраняется после:
A)
B)
C)
D)
сушки из замороженного состояния под вакуумом
сушке в потоке теплого воздуха
сушке в аэрозольном состоянии
сушке при комнатной температуре под вакуумом
13. Биогаз – это:
A)
B)
C)
D)
Метан с небольшой примесью углекислоты
Этан с небольшой примесью углекислоты.
Сероводород с небольшой примесью метана
Углекислый газ с небольшой примесью метана
14. Биогаз образуется в результате:
13
A)
B)
C)
D)
Маслянокислого брожения
Метанолиза
Спиртового брожения
Аэробного окисления
15. Выделите семейство бактерий среди нижеперечисленных, которое не участвует в процессе
получения биогаза:
A)
B)
C)
D)
E)
F)
Enterobacteriaceae
Lactobacilaccae
Stcrеptococcaceae
Clostridium
Bacillus
Butyrivibrio
16. Выделите продукт среди нижеперечисленных, который не является биотопливом:
A)
B)
C)
D)
Метан
Рапсовое масло
Этиловый спирт
Метиловый спирт
17. Биогаз получают с помощью:
A)
B)
C)
D)
E)
Ферментера
Метантенка
Бродильной емкости
Активного ила
Бактериостата
18. Выделите два качества, важные для успешного применения бактериальных биопестицидов:
A)
B)
C)
D)
E)
F)
Высокая видоспецифичность
Высокая вирулентность
Низкая токсичность
Устойчивость к низким температурам
Устойчивость к фаголизису
Устойчивость к химическим пестицидам
19. К биопестицидам относятся:
A)
B)
C)
D)
E)
Анаэробные бактерии
Сапрофитные бактерии
Энтомофаги
Фототрофные бактерии
Галофильные бактерии