Курс по выбору: Промышленная биотехнология

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Биологический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе
_________________ Е.Г. Елина
"____" ______________ 2012 г.
Рабочая программа дисциплины
Курс по выбору: Промышленная биотехнология
Специальность
020501 - Биоинженерия и биоинформатика
Квалификация выпускника
Специалист
Форма обучения
очная
Саратов,
2012
1. Цели освоения дисциплины:
Целью освоения дисциплины «Промышленная биотехнология» является
знакомство обучающихся с разнообразием биологических объектов, используемых в
биотехнологии, типовой схемой биотехнологического процесса, отдельными ее стадиями
и вспомогательными операциями.
2. Место дисциплины в структуре ООП специалитета
Цикл С.3, вариативная часть, курс по выбору, дисциплина осваивается в 9
семестре.
Для успешного освоения данной дисциплины необходимы базовые знания в
области химии, микробиологии, клеточной биологии, генетики. Студент должен имеет
навыки работы с микроскопом, химическими реактивами, лабораторным оборудованием.
Знания и навыки, приобретённые при изучении курса «Промышленная
биотехнология», необходимы для подготовки выпускной квалификационной работы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции: ПК-1, 2, 12,
16-18, 20, 21.
- способностью грамотно и самостоятельно проводить теоретическую и
экспериментальную научно-исследовательскую работу в области биоинженерии,
биоинформатики и смежных дисциплин, а также оформлять ее в письменной форме,
излагать в устной форме и участвовать в различных формах дискуссий (ПК-1);
- в производственно-технологической деятельности: способностью проводить
производственно-технологическую
деятельность
в
области
биоинженерии,
биоинформатики и смежных дисциплин (ПК-2);
- способностью к проведению лабораторных работ и знает требования техники
безопасности и приемов оказания первой помощи при несчастных случаях (ПК-12);
- способностью проводить экспериментальные работы с клетками и культурами
клеток и владением методами исследования и анализа живых систем, а также
математическими методами обработки результатов биологических исследований (ПК-16);
- способностью применять методы биоинженерии и биоинформатики для
получения новых знаний и для получения биологических объектов с целенаправленно
измененными свойствами, применять современные методы исследований; определять
актуальность целей и задач и практическую значимость исследования; проводить анализ
результатов и методического опыта исследования применительно к общей
фундаментальной проблеме в избранной области (ПК-17);
- способностью ориентироваться в основных проблемах и задачах биологии,
физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики и использовать эти
знания в экспериментальной и теоретической деятельности (ПК-18);
- способностью проводить наблюдения, описания, идентификации, классификации,
культивирования биологических объектов, выделять и исследовать субмикроскопические
структуры, использовать методические приемы для целенаправленного изменения
природных генов и геномов (ПК-20);
- способностью владеть приемами экспериментальной работы с клетками и
культурами клеток, физико-химическими методами исследования макромолекул,
методами исследования и анализа живых систем, математическими методами обработки
результатов биологических исследований, опытом лабораторных работ, основами
биоинженерии, необходимыми для создания биоинженерных объектов (ПК-21);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
- современные проблемы промышленной биотехнологии; состояние и перспективы
ее развития;
- способы создания и совершенствования объектов биотехнологии, возможности
интенсификации промышленного биотехнологического производства с позиций
современной науки;
- основные направления применения промышленной биотехнологии при решении
важнейших социально-экономических проблем в области сельского хозяйства, питания,
здравоохранения;
уметь:
- применять научные знания в области промышленной биотехнологии в учебной и
профессиональной деятельности;
- осуществлять поиск и анализ научной информации по актуальным вопросам
современного естествознания;
владеть:
- методами работы с биологическими объектами промышленной биотехнологии.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единиц, 108 часов.
4.1. Структура дисциплины
2
3
4
5
6
7
8
5
2
9
2
3
2
2
9
4
5
4
6
5-6
7-8
7
9
2
2
Биотехнологическое
производство микробного
белка
9
9
9
9
9
8-9
10
11
11
12
6
Самостоятельная
работа
4
1
Семинарские
занятия
3
9
практич.
занятия
2
Промышленная биотехнология как научная дисциплина.
Цели и задачи промышленной биотехнологии, объекты
и методы
Биологические объекты в
промышленной
биотехнологии
Культивирование
биологических объектов
Биотехнологические
процессы и аппараты
Стадии биотехнологического
производства
Выделение и очистка конечных продуктов биотехнологического производства
Промышленные штаммы
микроорганизмов
Раздел дисциплины
лекции
Неделя семестра
1
1
Семестр
№
п/п
Виды учебной работы, включая
самостоятельную работу студентов
и трудоемкость (в часах)
7
2
8
4
9
опрос,
рефераты
2
2
4
опрос,
рефераты
4
опрос,
рефераты
опрос,
рефераты
опрос,
рефераты
рефераты,
опрос
2
4
4
4
2
4
2
4
2
4
2
2
2
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям
семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
4
опрос,
рефераты
4
опрос,
рефераты
2
2
1
9
2
Биотехнологическое
производство первичных
метаболитов
10 Биотехнологическое производство вторичных метаболитов
11 Промежуточная аттестация
18 ИТОГО:
3
9
9
9
9
4
12
13
14
14
15-16
5
6
2
2
4
4
32
8
7
2
2
8
4
9
опрос,
рефераты
2
4
24
4
44
опрос,
рефераты
Зачет
144 часа
4.2. Содержание дисциплины
Раздел 1. Промышленная биотехнология как научная дисциплина. Цели и задачи
промышленной биотехнологии, объекты и методы.
История развития науки. Основные задачи промышленной биотехнологии.
Природа и многообразие биотехнологических процессов. Современные методы,
применяемые в промышленной биотехнологии.
Раздел 2. Биологические объекты в промышленной биотехнологии.
Разнообразие биологических объектов, используемых в промышленной
биотехнологии. Систематическое положение, особенности биологии микроорганизмов
(водоросли, бактерии, грибы), применяемых в промышленной биотехнологии.
Раздел 3. Культивирование биологических объектов.
Основные принципы культивирования биологических объектов в лабораторных и
промышленных условиях. Подбор питательных сред и физико-химических условий для
оптимизации биотехнологического процесса.
Раздел 4. Биотехнологические процессы и аппараты.
Основные принципы действия лабораторных и промышленных ферментеров.
Биореакторы периодического и непрерывного действия.
Раздел 5. Стадии биотехнологического производства.
Подготовка сырья и биологических объектов. Ферментация биологических
объектов. Выделение и очистка целевых продуктов. Приготовление товарных форм
продуктов.
Раздел 6. Выделение и очистка конечных продуктов биотехнологического
производства.
Получение конечного продукта: отделение биомассы от культуральной жидкости;
методы разрушения клеток; отделение и очистка; концентрирование; обезвоживание; пути
модификации; стабилизация, безопасность продукта.
Раздел 7. Промышленные штаммы микроорганизмов.
Конструирование промышленных штаммов микроорганизмов. Требования,
предъявляемые к промышленным штаммам. Современные методы селекции
микроорганизмов. Генетическое конструирование in vivo. Мутагенез и методы получения
мутантных штаммов. Использование транспонируемых элементов для создание
промышленных штаммов микроорганизмов. Генетическое конструирование in vitro.
Создание генетически новых (рекомбинантных) структур.
Раздел 8. Биотехнологическое производство микробного белка.
Перспектива и экономическая целесообразность использования микроорганизмов в
технологии производства пищевого и кормового белка. Биотехнологическая схема
производства микробного белка. Использование бактерий, грибов, водорослей для
производства пищевого и кормового белка. Требования, предъявляемые к штаммам –
продуцентам микробного белка.
Раздел 9. Биотехнологическое производство первичных метаболитов.
Производства, основанные на получении микробных метаболитов Принципы
получения первичных метаболитов. Регуляция процесса биосинтеза первичных
метаболитов. Биотехнологическое производство первичных метаболитов на примере
аминокислот.
Раздел 10. Биотехнологическое производство вторичных метаболитов.
Производства, основанные на получении вторичных микробных метаболитов.
Принципы получения вторичных метаболитов. Регуляция процесса биосинтеза вторичных
метаболитов. Биотехнологическое производство вторичных метаболитов на примере
антибиотиков.
5. Образовательные технологии
При реализации различных видов учебной работы используются как
традиционные, так и современные интерактивные образовательные технологии. Занятия
лекционного типа составляют 50% аудиторных занятий. Практические занятия включают
элементы компьютерных симуляций, разбор конкретных биотехнологических задач,
встречи с представителями крупнейших научно-исследовательских институтов г.
Саратова (РОС НИПЧИ «Микроб», УРАН Институт биохимии, физиологии растений и
микроорганизмов), представителями коммерческих организаций, работающих в смежных
областях (ЗАО «Биоамид», ЗАО «Нита-Фарм»).
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа студентов заключается в поиске и обработке информации по
основным разделам дисциплины как в библиотечном фонде, так и в электронных базах данных.
6.1. Вопросы для проведения текущего контроля:
Раздел 1. Промышленная биотехнология как научная дисциплина. Цели и задачи
промышленной биотехнологии, объекты и методы.
1.История развития науки.
2.Основные задачи промышленной биотехнологии.
3.Природа и многообразие биотехнологических процессов.
4.Современные методы, применяемые в промышленной биотехнологии.
Раздел 2. Биологические объекты в промышленной биотехнологии.
1.Разнообразие биологических объектов, используемых в промышленной биотехнологии.
2.Систематическое положение, особенности биологии одноклеточных водорослей,
применяемых в промышленной биотехнологии.
3.Систематическое положение, особенности биологии бактерий, применяемых в
промышленной биотехнологии.
4.Систематическое положение, особенности биологии грибов, применяемых в
промышленной биотехнологии.
Раздел 3. Культивирование биологических объектов.
1.Основные принципы культивирования биологических объектов в лабораторных условиях.
2.Основные принципы культивирования биологических объектов в промышленных условиях.
3.Подбор питательных сред для оптимизации биотехнологического процесса.
4.Подбор физико-химических условий для оптимизации биотехнологического процесса.
Раздел 4. Биотехнологические процессы и аппараты.
1.Основные принципы действия лабораторных ферментеров
2.Основные принципы действия промышленных ферментеров.
3.Биореакторы периодического и непрерывного действия.
Раздел 5. Стадии биотехнологического производства.
1.Подготовка сырья для биотехнологического производства.
2.Подготовка биологических объектов для биотехнологического производства.
3.Ферментация биологических объектов.
4.Выделение и очистка целевых продуктов.
5.Приготовление товарных форм продуктов.
Раздел 6. Выделение и очистка конечных продуктов биотехнологического производства.
1.Отделение биомассы от культуральной жидкости.
2.Мметоды разрушения клеток.
3.Отделение и очистка целевого продукта.
4.Концентрирование и обезвоживание целевого продукта.
5.Пути модификации целевого продукта.
6.Методы стабилизации целевого продукта.
7.Критерии безопасности продукта.
Раздел 7. Промышленные штаммы микроорганизмов.
1.Конструирование промышленных штаммов микроорганизмов.
2.Требования, предъявляемые к промышленным штаммам.
3.Современные методы селекции микроорганизмов.
4.Генетическое конструирование in vivo.
5.Мутагенез и методы получения мутантных штаммов.
6. Использование транспонируемых элементов для создание промышленных штаммов микроорганизмов.
7.Генетическое конструирование in vitro.
8.Создание генетически новых (рекомбинантных) структур.
Раздел 8. Биотехнологическое производство микробного белка.
1.Перспектива и экономическая целесообразность использования микроорганизмов в
технологии производства пищевого и кормового белка.
2.Биотехнологическая схема производства микробного белка.
3.Использование бактерий, грибов, водорослей для производства пищевого и кормового белка.
4.Требования, предъявляемые к штаммам – продуцентам микробного белка.
Раздел 9. Биотехнологическое производство первичных метаболитов.
1.Производства, основанные на получении микробных метаболитов
2.Принципы получения первичных метаболитов.
3.Регуляция процесса биосинтеза первичных метаболитов.
4.Биотехнологическое производство первичных метаболитов на примере аминокислот.
Раздел 10. Биотехнологическое производство вторичных метаболитов.
1.Производства, основанные на получении вторичных микробных метаболитов.
2.Принципы получения вторичных метаболитов.
3.Регуляция процесса биосинтеза вторичных метаболитов.
4.Биотехнологическое производство вторичных метаболитов на примере антибиотиков.
6.2. Темы рефератов
Биотехнологическое производство гликанов и гликоконъюгатов.
Биотехнологическое получение энтомопатогенных препаратов.
Микробная трансформация органических соединений в промышленных условиях.
Биотехнологическое производство бактериальных удобрений.
Биотехнологическое производство, основанное на спиртовом брожении.
Биотехнологическое производство, основанное на молочнокислом брожении.
Биотехнологические
производства,
основанные
на
пропионовокислом
маслянокислом брожении.
8. Биотехнологическое производство, основанное на уксуснокислом брожении.
9. Биотехнологическое производство, основанное на ацетонобутиловом брожении.
10. Биотехнологическое производство стероидов.
11. Биотехнологическое производство витаминов.
12. Биотехнологическое производство ферментов.
13. Биотехнологическое производство пробиотических препаратов.
14. Получение иммунологических препаратов (вакцины, сыворотки).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
и
15. Биологические основы генотерапии.
16. Использование молекулярных механизмов
биотехнологическом производстве.
внутриклеточной
регуляции
в
6.3. Вопросы к промежуточной аттестации
1. Биотехнология как научная дисциплина, цели и задачи биотехнологии, объекты и
методы биотехнологии.
2. Природа и многообразие биотехнологических процессов.
3. Культивирование биологических объектов. Подготовка биологических объектов: подбор объектов.
4. Субстраты для культивирования биообъектов.
5. Принципы действия и конструкции биореакторов; лабораторные, пилотные и
промышленные биореакторы; проблемы масштабирования.
6. Биотехнологические процессы и аппараты периодического и непрерывного действия;
специализированные типы биотехнологических процессов и аппаратов.
7. Получение конечного продукта: отделение биомассы от культуральной жидкости;
методы разрушения клеток; отделение и очистка; концентрирование; обезвоживание;
пути модификации; стабилизация, безопасность продукта.
8. Промышленные штаммы микроорганизмов и способы их усовершенствования.
Понятие о клоне клеток и штамме, требования к производственным штаммам.
9. Понятие о мутагенезе и методах выделения мутантов. Индуцированный мутагенез и
отбор продуктивных мутантов.
10. Стратегия селекционной работы с микроорганизмами; методы селекции
микроорганизмов. Ступенчатый отбор.
11. Генетическое конструирование in vivo (перенос генетической информации:
конъюгация, трансдукция, трансформация и трансфекция).
12. Генетическое конструирование штаммов-продуцентов in vitro. Источники ДНК для клонирования.
13. Бактериофаги и их использование в биотехнологии.
14. Характеристика плазмид, понятие о группах несовместимости. Конъюгативные и
неконъюгативные плазмиды.
15. Понятие о векторных молекулах.
16. Микробиологические производства, основанные на получении микробной биомассы.
17. Технологическая схема получения микробного белка.
18. Производства, основанные на получении микробных метаболитов. Понятие о первичных и
вторичных метаболитах. Принципы получения первичных и вторичных метаболитов.
19. Биотехнологическое производство аминокислот.
20. Биотехнологическое производство ферментов.
21. Классификация антибиотических веществ, продуцируемых микроорганизмами.
Основные продуценты антибиотиков.
22. Биотехнологические схемы получения антибиотиков.
23. Получение гликанов и гликоконъюгантов микробного происхождения.
24. Получение энтомопатогенных препаратов, особенности организации производства.
25. Технология производства бактериальных удобрений.
26. Получение микробных иммунобиологических препаратов.
27. Традиционные микробиотехнологические процессы. Получение продуктов брожения
микроорганизмов.
28. Организация производств, основанных на спиртовом брожении микроорганизмов.
29. Молочнокислое брожение и производство молочнокислых продуктов.
30. Биотехнологические производства, основанные на пропионовокислом брожении.
31. Биотехнологические производства, основанные на маслянокислом брожении.
32. Биотехнологические производства, основанные на уксуснокислом брожении.
33. Биотехнологические производства, основанные на ацетонобутиловом брожении.
34. Микробная трансформация органических соединений.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1.Клунова С.М. и др. Биотехнология. М.: Академия, 2010. (100 экз.)
2.Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология. М.: Академия, 2011.
б) дополнительная литература:
1.Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. М.: КолосС, 2004.
2.Сельскохозяйственная биотехнология / Под ред. В.С. Шевелухи. – М., 1998.
3.Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М.: Академия, 2003.
4.Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология.
С.-Пб.: Спец. литература, 2002.
5.Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. — М., 1987.
6.Практикум по микробиологии: Уч. пособие для студ. высш. учебн. заведений / А.И.
Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2005.
7.Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. /Под ред. Й. Ленгелера, Г.
Древса, Г. Шлегеля.- М.:Мир, 2005.
8.Воробьева Л.И. Техническая микробиология. М., 1987.
9.Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. М., 2004.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Лабораторное оборудование:
Микроскопы, автоклав, сухо-жаровой шкаф, термостаты, дистиллятор, холодильники,
аналитические весы, электроплитка, спиртовки.
Лабораторная посуда:
Чашки Петри, пробирки, пипетки, колбы, градуированные стаканы и цилиндры, шпатели,
скальпели, препаровальные иглы.
Питательные среды и химические реактивы.
Компьютеры.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО № 66 от
17.03.2011 г. с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по специальности 020501
Биоинженерия и биоинформатика.
Автор:
Доцент кафедры микробиологии
и физиологии растений, к.б.н.
__________________ Е.В. Глинская
Программа одобрена на заседании кафедры микробиологии и физиологии растений
от «27» марта 2012 года, протокол №2.
Подписи:
Зав. кафедрой микробиологии и
физиологии растений, д.б.н., профессор
__________________ С.А. Степанов
Декан биологического факультета,
д.б.н., профессор
__________________ Г.В. Шляхтин