Основы биотехнологии и инженерной энзимологии

Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
д.т.н., профессор
Ашнин Н.М.
«_____» ___________200__г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины «Основы биотехнологии и инженерной энзимологии»
Для специальности
280202 (330200) – «Инженерная защита окружающей среды»
Специализация (330202) – «Биотехнология защиты окружающей среды»
Кафедра инженерной химии и промышленной экологии
Всего часов
Всего часов очных занятий
Лекции
Практические занятия
Лабораторные занятия
Экзамен (семестр)
Зачет (семестр)
Курсовая работа (семестр)
Самостоятельная работа
150
102
68
17
17
8
7
–
48
Санкт-Петербург
2004
Рабочая
программа
составлена
на
основании
Государственного
образовательного стандарта по направлению 656600 – Защита окружающей
среды.
Составитель
проф. Шамолина И. И.
Рабочая программа обсуждена и утверждена на заседании кафедры
инженерной химии и промышленной экологии______________ 2006 г.
Заведующий кафедрой ИХПЭ,
профессор
Панов В.П.
Декан факультета прикладной химии и экологии,
профессор
Виза методического отдела
Новоселов Н. П.
1. Цели и задачи дисциплины. Ее место в учебном процессе
1.1.Цель преподавания дисциплины
Биотехнология относится к числу приоритетных наук, с развитием
которой связывают социально-экономический прогресс общества.
Биотехнологии принадлежит важная роль в освоении новых легко
воспроизводимых материальных ресурсов, создании новых экономически
выгодных и безотходных технологических процессов переработки
природного сырья, получении новых видов продукции для обеспечения
нормальных условий жизнедеятельности человеку.
Ключевое место в развитии современной биотехнологии занимают
ферменты. Интенсивное развитие исследований в области катализа
ферментами в последнее десятилетие, привело к тому, что ферменты стали
хорошо изученными и широко применяемыми катализаторами.
Развитие энзимологии и генетической инженерии сделало возможным
получение и производство ферментов с новыми свойствами в
неограниченных количествах
В этой связи возникает необходимость овладения студентами знаниями
научных и практических основ технологии получения и использования
биологических объектов и белковых катализаторов в технике и
промышленном производстве.
a. Задачи изучения дисциплины
В результате изучения дисциплины специалист в области
инженерной защиты окружающей среды должен иметь
представление:
- о роли биотехнологии в развитии науки, техники, производства
материалов из природного сырья,
- о сырьевой базе биотехнологии и о номенклатуре выпускаемых
препаратов,
- о мировых требованиях к техническому уровню
биотехнологических производств и качеству выпускаемой продукции
Должен знать:
- химические и биологические свойства основных классов
природных органических соединений, объектов биотехнологии,
структуру и свойства ферментов в целях применения их: для создания
новых технологий, расширения выпуска продукции и повышения ее
качества, защиты окружающей среды в текстильной и легкой
промышленности.
2. Содержание дисциплины
Раздел 1. Основы биотехнологии
Тема 1. Предмет, цели и задачи биотехнологии
5ч
Биотехнология как наука. Роль биотехнологии в развитии общества, в
преодолении продовольственных, энергетических, сырьевых трудностей, решении
экологических
проблем.
Микробиотехнология.
Фитобиотехнология.
Зообиотехнология
Современное состояние биотехнологии и важнейшие продукты биотехнологии.
Развитие биотехнологии в текстильной и легкой промышленноcти.
Тема 2. Объекты биотехнологии
4ч
Объекты биотехнологии. Микроорганизмы (вирусы, бактерии, грибы,
протозойные организмы), клетки (ткани) растений, животных, вещества
биогенной природы ( ферменты, полисахариды, нуклеиновые кислоты и др.).
Особенности строения и химического состав микробных, растительных и
животных клеток, основные биополимеры клеток, органеллы клеток.
Тема 3. Методы биотехнологии
5ч
3.1 Методы культивирования микроорганизмов
Классификация процессов ферментации. Поверхностные, твердофазные и
глубинные процессы. Периодическое, полупериодическое и непрерывное
культивирование. Хемостатное и турбидистатное
культивирование.
Высокоплотное культивирование. Методы и средства управления процессами
ферментации.
3.2.Генетическая и клеточная инженерия
Структура генов и регуляция их экспрессии. Основные объекты генноинженерных операций. Промоторы.Терминаторы. Характеристика генетического
аппарата про- и эукариот. Гены прокариот. Транскрипция. Трансляция генов.
Регуляция экспрессии генов. Гены эукариот. Методы генетического
конструирования микроорганизмов in vitro. Источники ДНК для клонирования.
Рестриктазы. Методы восстановления фрагментов ДНК. Коннекторный метод
воссоединения фрагментов. Векторы. Клетка – реципиент. Введение молекул
ДНК в клетки. Трансфекция. Трансформация. Методы идентификации клонов,
содержащих рекомбинантные молекулы. Клеточная инженерия слияние
протопластов.
.
Тема 4. Характеристика биотехнологических процессов
4 ч.
Основные параметры биотехнологических процессов. Отличие биотехнологических процессов от химических. Стерильные процессы. Систематизация
биотехнологических процессов. Процессы биосинтеза и биотрансформации.
Тема 5. Инженерные основы биотехнологии
4 ч.
Принципы технического оснащения биопроизводств. Ферментаторы.
Особенности
культивирования
различных
биообъектов.
Оснащение
микробиотехнологических, фитобиотехнологических и зообиотехнологических
производств.
Тема 6. Микробиотехнология
5 ч.
Характеристика, рост и культивирование микроорганизмов. Технологические приемы и аппаратурное оформление процессов выращивания микроорганизмов. Технологические основы получения микробных метаболитов. Типовые
схемы промышленных процессов получения: биомассы, белка, аминокислот,
ферментов, антибиотиков и продуктов брожения
Тема 7. Биотехнология и материалы
5 ч.
Биотехнология растительного и животного сырья, используемого для
выработки натуральных и искусственных волокон, кожи, меха.. Микробные
источники сырья для получения волокнистых и пленочных материалов.
Биозараженность сырья и материалов. Биоповреждения. Волокнистые
материалы для инженерной реализации биотехнологии в различных отраслях
промышленности.
Тема 8. Биотехнология и окружающая среда
5 ч.
Биологические загрязнения. Экологические аспекты промышленного использования микроорганизмов. Генно-инженерные микроорганизмы. Опыт использования биотехнологических процессов в хозяйственной деятельности человека. Надежность биотехнологических систем. Обезвреживание и утилизация
отходов биотехнологических производств.
Проблемы, связанные с риском и выгодой развития биотехнологии. Перспективы конструирования новых видов организмов и сообществ экосистем
на основе существующих видов живого. Экосистемные биотехнологические
проекты.
Раздел II. Инженерная энзимология
Тема 9. Технология ферментных препаратов 5 ч.
Ферменты. Структура и свойства. Классификация ферментов. Основные
технологические этапы производства микробных ферментных препаратов.
Получение сухих ферментных препаратов. Стандартизация ферментных
препаратов. Технологическая схема получения очищенных ферментных
препаратов. Микробиологический и биохимический контроль производства.
.Получение ферментных препаратов из растительного и животного сырья
Технологические особенности получения ферментных препаратов с
определенным составом ферментов.
Тема 10.Гетерогенные катализаторы на основе
иммобилизованных ферментов и клеток
4 ч.
Носители. Важнейшие свойства полимерных носителей,
применяющихся для иммобилизации ферментов.
Сшивающие агенты.
Химические и физические методы иммобилизации ферментов. Свойства
иммобилизованных ферментов. Активность и стабильность иммобилизованных
ферментов. Иммобилизованные клетки микроорганизмов.
Тема 11. Современные методы конструирования ферментов с
необходимыми свойствами
2 ч.
Химическая
модификация.
Комбинаторные
методы,
генетическая и белковая инженерия, методы направленной эволюции.
Тема 12. Ферменты в нетрадиционных средах
4 ч.
Мицеллярная
энзимология.
Возможности
проведения
ферментативных реакции в органических растворителях. Защита фермента от
растворителей с использованием полимерных покрытий. Включение ферментов в
обращенные мицеллы
Тема 13.Ферменты в органическом синтезе
4 ч.
Методы повышения выхода целевого продукта.Изменение
ионного состояния реагентов. Перенос продукта в другую фазу. Использование
последовательных реакций. Проведение реакций в однофазных и двухфазных
водно-органических системах. Синтез эфиров аминокислот, природных
аминокислот аспартама, непротеиногенных аминокислот, получение акриламида,
синтез яблочной кислоты, лактамных антибиотиков простогландинов
Тема 14.Ферменты в аналитической химии
4 ч.
Ферментативный анализ метаболитов. Биосенсоры.
Иммуноферментный анализ. Полимеразная цепная реакция.
Биолюминисцентный микроанализ.
Тема 15.Ферменты в медицине
2 ч.
Диагностика патологических состояний. Ферменты коррекции
пищеварения. Ферменты наружного применения. Тромболитические ферменты.
Ферменты противоопухолевой терапии. Использование ферментов в качестве
аналитических реактивов и в аппаратах «искусственная печень», «искусственная
почка».
Тема 16. Биокаталитические методы защиты окружающей среды
6ч.
Понятие экобиокатализа. Деструкция ксенобиотиков с участием
микроорганизмов и ферментов. Особенности кинетики биокаталитических
процессов деструкции ксенобиотиков . Механизмы кинетики деструкции
ксенобиотиков. Адаптация микроорганизма к ксенобиотику. Ассоциация
микроорганизмов. Реализация «невозможных» химических реакций.
2.1. Распределение времени по дисциплине
Форма
обучения
Дневная
Номер
семестра
7
8
Всего
часов
51
51
Из них
лекции
51
17
Лаб.занятия
17
Практ.занятия
17
2.2.Лабораторные занятия
Номера тем, Номер
Номер
по которым семестра
лаб.
проводится
Занятия
лаб.занятие
1
8
Л1
2
8
Л2
3
8
Л3
4
5
6
ИТОГО
8
8
8
Л 4.
Л5
Л6
Наименование
лабораторного занятия
Освоение техники
микроскопирования
.Морфология клеток
Свойства ферментов
Влияние температуры,
реакции среды на активность
коллагеназы и целлюлазы.
Влияние активаторов и
ингибиторов на активность
ферментов. Специфичность
ферментов.
Количественное определение
активности коллагеназы,
протеазы и ферментов
целлюлазного комплекса.
Влияние концентрации
субстрата на скорость
ферментативной реакции.
Определение константы
Михаэлиса и максимальной
скорости ферментативной
реакции
Методы выращивания
культур клеток растений
Базидиомицеты.
Культивирование на
различных субстратах ,
содержащих шерсть,
коллаген, льняные отходы.
Определение активности
оксидоредуктаз
Объем
в
часах
2
4
2
2
2
5
17
2.3. Практические занятия
Номера тем,
Номер
Номер
по которым
семестра практического
проводятся
занятия
занятия
4
8
П1
3
8
П2
5
8
П3
9
8
П4
9
8
П5
10 - 16
8
П6
ИТОГО
Наименование
практического занятия
Критерии оценки
биотехнологического
процесса
Питательные среды для
биотехнологических
производств
Характеристика сырья,
используемого для
приготовления
питательных сред при
выращивании
микроорганизмов, клеток
растений и животных
Микробиологический и
биохимический контроль
производства
ферментных препаратов
Стандартизация и
сертификация
ферментных препаратов
Решение задач по теме
«Кинетика
ферментативных
реакций». Определение
константы Михаэлиса –
Ментен и предельной
(максимальной) скорости
реакции из опытных
данных. Конкурентное и
неконкурентное
ингибировании.
Ингибирование
субстратом.
Объем
в
часах
2
2
2
2
2
7
17
2.4. Дополнительные формы контроля и закрепления знаний и навыков
студентов
Форма
Наименование Количество
Номер
Темы
по
обучения
контроля
семестра
которым
проводится
контроль
Дневная
Контрольная
2
7
1-8
работа
Контрольная
2
8
9 - 16
работа
Реферативная
1
7
1-8
(по
работа
выбору)
Реферативная
1
8
9-16
( по
работа
выбору)
Учебно-методические материалы по
дисциплине 3.1. Основная и дополнительная
литература
1. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. Для студентов, аспирантов и
практических работников. Издательская фирма "Наука" СПб, 1995 г.
с.600.
2. Елинов Н.П. Химическая микробиология. Учеб. для студентов химикотехнол., фарм. и др. институтов, аспирантов и практ. раб. - М.: Высшая
школа ,1989 г., с 448.
3.Биотехнология: учебное пособие для вузов в 8 томах /Под ред. Н.С.
Егорова, В.Д. Самуилова. М.: Высшая школа. 1987-1988 г
4. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии: Пер. с англ, в
2-хчастях. - М.: Мир, 1989 г.. -^.590.
5. Баев А.А. Биотехнология. -М.: Наука, 1984 г., с. 310
6. Иммобилизованные ферменты и клетки: Методы. Пер. с англ. /Под ред.
Дж.Вудверда. М.: Мир, 1988 г., с.215.
7.Виестур У.Э., Шмите И.А., Жилевич А.В. Биологические агенты,
технология, аппаратура. -Рига: Зинатме, 1987 г., с. 263.
8. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Раштулис Е.П. Биотехнология. —М.: Агропромиздат, 1990 г., с. 334.
7.
9. Биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ./ Под ред. И.
Хиггинса, Д.Беста, Дж.Джонса. -М.:Мир, 1988 г., с. 480.
10.Введение в прикладную энзимеологию: Учебное пособие/ Под ред. И.В.
Березина и К. Мартинека. -Изд.-во Моск. ун-та, 1982 г., с. 384.
11 .Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. Биотехнология: Кинетические основы
микробиологических процессов. Уч. пособие для биол. и хим. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1990 г., с. 296.
12.Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды: Пер. с англ. Под ред. В.Г.
Дебабова. -М.: Мир, 1987 г., с. 411.
13.Воробьева Л.И. Промышленная микробиология: Уч. пособие. - М.: Изд.
МГУ, 1989 г., с. 294.
14..Муромцев Г.С., Бутенко Р.Г., Тихоненко Т.И., Прокофьев М.И. Основы
сельскохозяйственной биотехнологии. М., ВО Агропромиздат, 1990 г., с.384
15.Промышленная микробиология: Учеб. пособие для вузов. Под общей ред.
Н.С. Егорова. -М.: Высш. школа. -1989 г. -с.688
16. Егорова Т.А. Основы биотехнологии : Учебное пособие для
высш.пед.учеб.заведений/ Т.А.Егорова, С.М.Клунова, Е.А.Живухина – М.:
Издательский центр «Академия», 2006. – 208 с.
17. Квеситадзе Г.И. Введение в биотехнологию/Г.И.Квеститадзе,
А.М.Безбородов; Ин-т биохимии им.А.Н.Баха. – М.:Наука, 2002, - 284 с.
18.
Максимов Г.В., Василенко В.Н., Максимов В.Г., Максимов А,Г,
Теоретические и практические аспекты использования биотехнологии и
генной инженерии / Науч. Ред. М.В.Супотницкий, - М.: Вузовская книга,
2004.208
c.