М1.ДВ.3 Прикладная биофизика и биотехнология

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
Прикладная биофизика и биотехнология
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
Красноярск
СФУ
2011
РАБОТЕ
Разработчик: С.В. Хижняк
Методические указания составлены в соответствии с учебным планом
и программой дисциплины «Прикладная биофизика и биотехнология».
Пособие содержит тематический план занятий, представлены источники
основной и дополнительной литературы в соответствии с темами занятий. В
пособие даны рекомендации для самостоятельного изучения теоретического
курса дисциплины, промежуточному и итоговому контролю.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся
по направлению
011200.68 «Физика», магистерская
программа
011200.68.07 «Окружающая среда и человек: основы контроля и надзора».
Цели и задачи изучения дисциплины
Биотехнология – это бурно развивающееся в 21 веке направление,
которое объединяет достижения комплекса наук биологического и
небиологического профиля. Биотехнология имеет огромное значение для
различных сфер хозяйственной деятельности человека – от производства
пищевой и лекарственной продукции до биоконверсии отходов,
биоремедиации и охраны окружающей среды.
Цель дисциплины: сформировать у обучающихся представления о
биотехнологии как современной комплексной дисциплине и дать
практические навыки математическогои компьютерного моделирования
биотехнологических процессов.
Задачи изучения дисциплины заключаются в расширении знаний об
основах прикладной биофизики, принципах построения математических
моделей для решения биотехнологических задач, методах промышленного
культивирования одноклеточных организмов.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
основы
прикладной
биофизики
и
биотехнологии;
биотехнологические процессы и аппараты, применяемые в
биотехнологии; подходы к моделированию биотехнологических
процессов и методы управления этими процессами
Уметь: моделировать и оптимизировать биотехнологические процессы;
экспериментально находить необходимые константы; разрабатывать
аппараты для проведения различных биотехнологических процессов
Владеть:
навыками
разработки
и
компьютерного
анализа
математических моделей биотехнологических процессов
1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
Лекции
практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа:
Реферат
Вид промежуточного контроля (экзамен)
Всего
зачетных
единиц
(часов)
Семестр
9
(2) 72
(0,8) 28
(0,4) 14
(0,4) 14
(1,22) 44
(1,22) 44
(2) 72
(0,8) 28
(0,4) 14
(0,4) 14
(1,22) 44
(1,22) 44
зачет
зачет
2. Содержание дисциплины
Дисциплина «Прикладная биофизика и биотехнология» представляется
четырьмя модулями, каждый из которых раскрывает фундаментальные основы
биотехнологии и применения биофизических методов для анализа
биотехнологических процессов.
№
п/п
Модули и разделы дисциплины
Раздел 1.
1 Введение в биотехнологию
Раздел 2.
2
Биотехнологические процессы и аппараты
Раздел 3.
3 Моделирование биотехнологических процессов
Раздел 4.
4 Оптимизация биотехнологических процессов
3. Самостоятельная работа
Самостоятельная работа по курсу «Прикладная биофизика и
биотехнология» включает написание реферата, подготовка презентации по теме
реферата, подготовка к выступлению по выбранной теме.
Каждому обучающемуся обеспечен
доступ к
электроннобиблиотечным системам (ЭБС), содержащим издания по основным разделам
изучаемой
дисциплины.
Электронно-библиотечная
система
СФУ
обеспечивает возможность индивидуального доступа для каждого
обучающегося из любой точки, в которой имеется доступ к сети Интернет.
В электронных читальных залах Электронной библиотеки СФУ
обеспечена возможность осуществления одновременного индивидуального
доступа к электронным ресурсам не менее чем для 25 процентов
обучающихся.
Студентам обеспечена возможность свободного доступа к фондам
учебно-методической документации и интернет ресурсам. Все обучающиеся
имеют открытый доступ к базе Электронного каталога и полнотекстовой базе
данных
внутривузовских
изданий
(http://lib.sfu-kras.ru/);
ресурсам
Виртуальных читальных залов (http://lib.sfu-kras.ru/eresources/virtual.php); к
УМКД (http://lib.sfu-kras.ru/ecollections/umkd.php); к видеолекциям и учебным
фильмам университета (http://tube.sfu-kras.ru/); к учебно-методическим
материалам институтов(сайт Института фундаментальной биологии и
биотехнологии (ИФБиБТ) - http://bio.sfu-kras.ru/).
Написание и защита реферата:
В рамках изучения курса студент должен подготовить реферат по
одной из предложенных преподавателем тем или предложить свою.
Задание по написанию реферата выдается лектором на первой лекции
вместе со списком учебной литературы по соответствующим модулям.
Защита рефератов осуществляется во время семинарских занятий в форме
презентации по теме реферата, подготовленной в Power Point.
Примерные темы рефератов:
1.
Биотехнология производства спирта (3 чел)
2.
Биотехнология производства спиртосодержащих продуктов (3 чел)
3.
Биотехнология производства органических кислот (3 чел)
4.
Биотехнология производства витаминов (3 чел)
5.
Биотехнология производства полимеров (3 чел)
6.
Биотехнология производства аминокислот (3 чел)
7.
Биотехнология производства кормового белка (3 чел)
8.
Биотехнология производства липидов (3 чел)
9.
Биотехнология производства ферментов (3 чел)
10.
Биотехнология производства антибиотиков (3 чел)
11.
Биотехнология производства вакцин (3 чел)
12.
Биотехнология производства гормонов человека (3 чел)
13.
Биотехнология производства фитогормонов (3 чел)
14.
Биологические инсектициды (3 чел)
15.
Биологические фунгициды (3 чел)
16.
Биологические гербициды (3 чел)
17.
Биологические удобрения (3 чел)
18.
Производство биологически активных веществ с помощью культур
клеток растений (3 чел)
19.
Биотехнология очистки бытовых сточных вод (3 чел)
20.
Биотехнология очистки промышленных сточных вод (3 чел)
21.
Производство биогаза – процессы и аппараты (3 чел)
22.
Микробные топливные элементы (3 чел)
23.
Биотехнологические методы очистки нефтезагрязнённых сточных вод
(3 чел)
24.
Биотехнологические методы очистки сточных вод, загрязнённых
хлорорганическими соединениями (3 чел)
25.
Биотехнологические
методы
очистки
почв,
загрязнённых
нефтепродуктами (3 чел)
26.
Биотехнологические методы ликвидации нефтяных разливов в
морских акваториях (3 чел)
27.
Биодеградация полимеров (3 чел)
28.
Биотехнология выщелачивания металлов из руд (3 чел)
Реферат включает следующие структурные элементы:
1. Титульный лист. С него начинается нумерация страниц, но номер
не ставится. Номера страниц начинают печатать с первой страницы
раздела «Введение». Титульный лист оформляется аналогично
титульному листу курсовой работы: указывают наименование
высшего учебного заведения; факультет, кафедру, где выполнялась
работа; название работы; фамилию и инициалы студента; ученую
степень и ученое звание, фамилию и инициалы преподавателя;
город и год выполнения работы.
2. Содержание. В содержании представлены названия всех разделов и
подразделов работы, каждое из которых печатается с новой строки. В
конце строки ставится номер страницы, на которой напечатана данная
рубрика в тексте. Номера страниц печатаются вблизи правого поля,
все на одинаковом расстоянии от края страницы. Следует обратить
внимание, что названия разделов и подразделов в оглавлении должно
точно соответствовать заголовкам текста.
3. Введение.
Во
введении
обосновывается
актуальность
рассматриваемой темы, пути развития на современном этапе,
имеющиеся проблемы и способы их разрешения. Объём данного
раздела не должен превышать одной страницы.
4. Обзор литературы. В данном разделе излагаются теоретические
основы по выбранной тематике. Изложение должно вестись в форме
теоретического анализа проработанных источников применительно
к выполняемой теме, логично, последовательно и грамотно. При
необходимости данный раздел может состоять из отдельных
подразделов. Из содержания теоретического обзора должно быть
видно состояние изученности темы в целом и отдельных ее
вопросов.
5. Заключение. Представляет собой краткое обобщение (2−3 абзаца)
приведенных данных.
6. Библиографический список. Оформляется в соответствии с
существующими требованиями.
7. Приложения.
Оформление реферата должно соответствовать межгосударственному
стандарту ГОСТ 7.32−2001, устанавливающему
общие требования к
структуре и правилам оформления научных и технических отчетов.
Реферат должен сопровождаться библиографическим списком,
который составляют в соответствии с ГОСТ 7.12003 «Библиографическая
запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила
составления». Объем реферата должен составлять 20−30 страниц.
С целью формирования и развития профессиональных навыков
обучающихся, а также развития коммуникативных компетенций защита
реферата проводится в виде презентации на семинарских занятиях в
интерактивной форме, т.е. в том числе и с участием в обсуждении темы
реферата других обучающихся.
Защита итоговой работы осуществляется с целью проверки усвоения
студентами комплекса знаний, полученных при изучении дисциплины. Для
защиты реферата студент готовит презентационные материалы,
оформленные в виде последовательности слайдов, демонстрируемых на
экранах для аудитории слушателей. При подготовке рефератов и презентаций
рекомендуется использовать лицензионное программное обеспечение
ФГАОУ ВПО СФУ. Во время защиты рефератов, используется современное
интерактивное оборудование, закупленной по программе развития СФУ. В
частности, интерактивная доска SMART Board 3000i использует все
возможности персонального компьютера в режиме реального времени.
Специальное программное обеспечение позволяет работать с текстами и
графическими объектами, аудио- и видеоматериалами, интернет-ресурсами,
базами данных, библиотеками и т. д.
4. Учебно-методические материалы по дисциплине
1.
2.
3.
4.
Основная литература
История и методология биологии и биофизики : учеб. пособие / В. А.
Кратасюк [и др.]. – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – 172 с. – (История и
методология биологии и биофизики : УМКД № 1314-2008 / рук. творч.
коллектива В.А.Кратасюк).
http://files.lib.sfukras.ru/ebibl/umkd/1314/u_manual.pdf
Современные аппаратура и методы исследования биологических
систем : учеб. пособие / под ред. Проф. Э.Дж. Сински и Т.Г. Воловой /
– Красноярск, Изд-во СФУ, 2011 – 479 с. (178 экз.)
Волова, Т. Г. Введение в биотехнологию: учеб. пособие / Т. Г.
Волова. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. (3 экз.)
Экологическая
роль
полигидроксиалканоатов:
закономерности
биоразрушения в природной среде и взаимодействия с
микроорганизмами. Монография. / С.В. Прудникова и Т.Г. Волова –
Красноярск : Красноярский писатель. – 2012. (57 экз.)
Дополнительная литература
1. Шишацкий О.Н., Е.И. Шишацкая, Т.Г. Волова Разрушаемые
полимеры: потребности, производство, применение /Справочное пособие/
Красноярск:изд-во Новые информационные технологии:, 2010. – 156 с.
2. Волова Т.Г. и Шишацкая Е.И. Биоразрушаемые полимеры: синтез,
свойства, применение. Монография. / Красноярский писатель: Красноярск. 2011.- 49 п.л.
3.
Кудряшева Н.С., Кратасюк В.А., Есимбекова Е.Н., Физикохимические основы биолюминесцентного анализа: Учеб.пособие/ Краснояр.
гос.ун-т. - Красноярск, 2002. - 154 с.
4.
Matz et al. (2002). Family of the green fluorescent protein: journey to
the end of the rainbow. Bioessays 24: 953.
5.
Alieva et al. (2008) Diversity and Evolution of Coral Fluorescent
Proteins. Plos ONE 3: e2680.
6.
Roda et al. (2003) Clinical and diagnostic applications: luminescence
immuno- and gene probe assays. In, The Digital Photobiology Compendium.
www.photobiology.info/
7.
Michelini et al. (2008) Spectral-Resolved Gene Technology for
Multiplexed Bioluminescence and High-Content Screening. Anal. Chem. 80: 260.
8.
Березин И.П. Иммобилизованные ферменты / И.П Березин Н.Л.
Клячко, А.В. Левашов и др. М.: Высш. школа, 1987.
Электронные издания
1. История и методология биологии и биофизики [Электронный ресурс] :
электрон. учеб.-метод. комплекс по дисциплине / В. А. Кратасюк, И. Е.
Суковатая, И. В. Свидерская [и др.]. – Электрон. дан. (165 Мб). – Красноярск
: ИПК СФУ, 2009. – (История и методология биологии и биофизики : УМКД
№ 1314/599-2008 / рук. творч. коллектива В. А. Кратасюк). – 1 электрон. опт.
диск (DVD). – Систем. требования : Pentium-1 ГГц ; 512 Мб оперативной
памяти ; 225 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ;
операционная система Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe
Reader 7.0 ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. – (Номер гос. регистрации в
ФГУПНТЦ «Информре-гистр» 0320902463).
2. Современные проблемы и методы биотехнологии Электрон. учеб.
пособие [Электронный ресурс] : / Н. А. Войнов, Т. Г. Волова, Н. В. Зобова и
др. ; под науч. ред. Т. Г. Воловой. – Красноярск: ИПК СФУ, 2009. –
(Современные проблемы и методы биотехнологии: УМКД № 1323-2008 /
рук. творч. коллектива Т. Г. Волова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). –
Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других
производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного
дискового пространства; привод DVD; операционная система Microsoft
Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный
продукт для чтения файлов формата pdf).
3. СТО 4.2-07-2010. Система менеджмента качества. Общие требования к
построению, изложению и оформлению документов учебной и научной
деятельности [текст] / Т. В. Сильченко, В. К. Младенцева, Л. В.
Белошапко. – Введ. впервые 22.10.2010 г. – Красноярск : ИПК СФУ, 2010. –
57 с.
4. ГОСТ 7.1–2003. Библиографическая запись. Библиографическое
описание.
5. Каталог лицензионных программных продуктов, используемых в
СФУ. / А. В. Сарафанов, М. М. Торопов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т,
2008. – Вып. 1–3.
Информационные ресурсы
1. Журналы издательства Annual Reviews
http://www.annualreviews.org/action/showJournals
2. Blackwell http://onlinelibrary.wiley.com/
3. Cambridge University Press
http://www.journals.cambridge.org/archives/
4. Elsevier (журналы открытого доступа)
http://www.sciencedirect.com/
5. Institute of Physics http://iopscience.iop.org/journals?type=archive
6. Web of Science
http://apps.webofknowledge.com/UA_GeneralSearch_input.do?product=UA
&search_mode=GeneralSearch&SID=W2aheM4EFbHgbODcMFB&prefere
ncesSaved=
7. JSTOR
http://www.jstor.org/action/showJournals?browseType=collectionInfoPage
&selectCollection=as&
8. Nature Publishing Group http://www.nature.com/
9. Oxford University Press (Oxford Journals)
http://www.oxfordjournals.org/
10. ELSEVIER (SCOPUS)http://www.scopus.com/home.url
11. Royal Society of Chemistry (RSC) - Королевское химическое
общество (Журналы открытого доступа)
http://pubs.rsc.org/en/Journals?key=Title&value=Current
12. AAAS: Журнал «Science» http://www.sciencemag.org/magazine
13. Электронные журналы издательства Sage Publications
http://online.sagepub.com/
14. Springer, Kluwer http://link.springer.com/
15. Taylor&Francis http://www.tandfonline.com/
16. Архив научных публикаций arXiv.org http://arxiv.org/
17. Информационно-аналитическая система "Статистика"
http://www.ias-stat.ru/module/Free/News.aspx
18. Ист Вью (eastview) http://www.ebiblioteka.ru/search/simple
19. Научная электронная библиотека: Российские академические
журналы
20. (elibrary.RU) http://elibrary.ru/defaultx.asp
21. Университетская информационная система Россия (УИС
РОССИЯ)
22. Http://uisrussia.msu.ru/is4/main.jsp
23. Электронная библиотека издательского дома "Гребенников"
http://grebennikon.ru/
24. POLPRED.COM http://polpred.com/?Ns=1
25. Proquest Dissertations and Theses
https://www.proquest.com/trials/trialsummary.action?View=subject&trialbe
an.token=OGI11NSEO4L0UZ20K3ZO
26. Электронная библиотека диссертаций (ЭБД) РГБ http://diss.rsl.ru/
Контрольно-измерительные материалы
Контрольно-измерительные материалы по дисциплине «Прикладная и
инженерная биофизика» включают:
1) перечень тем рефератов;
2) перечень вопросов к зачету.
Форма проведения зачета: устный ответ на вопросы.
Примерный перечень вопросов:
1. Понятие о биотехнологии.
2. История развития биотехнологии.
3. Пищевая биотехнология.
4. Медицинская биотехнология.
5. Сельскохозяйственная биотехнология.
6. Экологическая биотехнология.
7. Принципы составления питательных сред для культивирования
микроорганизмов.
8. Глубинное и поверхностное культивирование – области применения,
плюсы и минусы.
9. Периодическое, проточное и полупериодическое культивирование.
10. Твердофазное культивирование.
11. Динамика популяций одноклеточных организмов.
12. Моделирование периодической культуры.
13. Моделирование проточной культуры.
14. Моделирование твердофазной культуры.
15. Выделение продуцентов из окружающей среды.
16. Селекция продуцентов.
17. Определение констант в уравнении Моно (на основе
предоставленного преподавателем графика).
18. Написать уравнения Моно и Моно в модификации Холдейна,
указать область применения данных уравнений.
19. Написать и запрограммировать на языке VBA модель роста
бактерий в периодической культуре.
20. Модель периодической культуры с подпиткой субстратом.