Теоретические основы биотехнологии. Учебно-методическое пособие

Расчетные задания к практическим занятиям

Рассмотреть и обсудить с преподавателем типовые задачи по расчету основных параметров культивирования микроорганизмов.

Задача 1. Сахаромицеты растут на глюкозе с константой Моно

K S = 25 мг/л. Во сколько раз изменится удельная скорость роста при изменении концентрации субстрата с 0,5 до 20 мг/л (µmax = 0,4 час-1).

µ2/µ1 = 22,8

Ответ: удельная скорость роста сахаромицетов увеличится в 23

раза.

Задача 2. Клетки E.сoli растут на глюкозе с константой Моно

K S = 4 мг/л. Во сколько раз изменится удельная скорость роста при изменении концентрации субстрата с 0,5 до 10 мг/л (µmax = 0,4 час-1).

Решение аналогично задаче 2.

Ответ: удельная скорость роста клеток E.сoli увеличится в 6,5

раз.

81

Задача 3. При какой постоянной скорости гибели клеток k

критерий стерилизации, равный 10, будет достигнут за 1 час?

Ответ: при скорости k = 10 час-1.

Задача 4. Оптимизация рН питательной среды позволила изменить время удвоения культуры с 55 до 48 минут. Как Вы оцените с помощью экспоненциальной модели роста насколько изменится время достижения плотности популяции 108 кл/мл (изменением концентрации субстрата можно пренебречь). Начальная концентрация биомассы хo = 105 кл/мл.

ln x = ln xo + τ/g · ln2 τ = ln x/ln xo · g/ln2

τ1 = ln 108/ln 105 · 55/ln2 = 127,5 мин τ2 = ln 108/ln 105 · 48/ln2 = 117,3 мин Δτ = τ1 - τ2 = 16,2 мин

Ответ: время культивирования до достижения требуемой плотности популяции сократится на 16,2 минуты.

Задача 5. При аэробном росте микробной культуры экономический коэффициент по субстрату равен 0,5, начальная концентрация источника углерода 1,8 % (масс.). Какая максимальная концентрация биомассы может быть достигнута при полном потреблении субстрата в ходе культивирования? (Начальной концентрацией клеток можно пренебречь).

Ответ: максимальная концентрация биомассы х = 0,9 г/л.

82

Задача 6. При росте двух микробных культур получены следующие экспериментальные данные: средняя концентрация биомассы E.сoli и S.lactis равна 80 г/л. Начальная концентрация единственного источника углерода – лактозы – в питательной среде составляла 15 г/л. В конце культивирования было зафиксировано потребление лактозы клетками E.сoli на 80 %, а клетками S.lactis на

45 %. Оцените метаболитическую активность каждой культуры.

Ответ: метаболитическая активность E.сoli выше, чем у культуры S.lactis в 1,5 раза.

Задача 7. Микробная культура растет на глицерине с параметрами уравнения Моно: µmax = 0,045 мин-1, K S = 10-4 моль/л.

При каких концентрациях глицерина могут быть достигнуты скорости роста, составляющие 30 %, 50 %, 80 % от максимальной.

Ответ: S1 = 4,3 · 10-5 г/л, S2 =1 · 10-4 г/л, S3 = 4 · 10-4 г/л.

Задача 8. Исходя из следующих начальных условий, определить параметры ферментативной реакции: Vmax = ? и Km = ?

Ответ: Vmax = 120, Km = 6,5.

Задача 9. Исходя из следующих начальных условий, определить

параметры ферментативной реакции: Vmax = ? и Km = ?

Ответ: Vmax = 105, Km = 4,7.

83

Задача 10. Исходя из следующих начальных условий,

определить параметры ферментативной реакции: Vmax = ? и Km = ?

Ответ: Vmax = 120, Km = 6,5.

Задачи 8, 9, 10 решаются графически, используя зависимости Хэйнса, Эди-Хофсти, Лайнуивера-Берка, Корниш-Боудена.

Например, используя зависимость Корниш-Боудена для любой пары значений V и S можно построить зависимость V от S, которая представляет собой прямую с наклоном равным V/S, и отрезками,

отсекаемыми на осях S и V, соответственно равными -S1 и V1. Эта прямая связывает все значения S и V, которые точно удовлетворяют выбранной паре значений S и V. Если подобным образом провести прямые для нескольких пар значений S и V, то они пересекутся в одной точке, координаты которой дадут единственные значения Vmax

и Km.

S/V

График Хэйнса

84

Примерные темы самостоятельных работ к семинарским

занятиям

1.Основные принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов

2.Особенности регуляции метаболизма в клетках эукариотных микроорганизмов.

3.Внеклеточные ферменты микроорганизмов.

4.Основные положения термодинамики в приложении к биохимическим реакциям.

5.Влияние температуры на скорость ферментативных реакций.

6.Иммобилизация клеток микроорганизмов.

7.Биопленки: характеристика развития, структуры и функций.

8.Иммобилизация ферментов.

9.Диффузионные ограничения в процессах культивирования микроорганизмов

10.Генная инженерия: принципы и перспективы.

11.Конструктивный и энергетический обмен у аэробных и анаэробных микроорганизмов.

12.Основы культивирования молочно-кислых бактерий в производстве кисломолочных продуктов нового поколения.

13.Бионанотехнология.

14.Биодеградация ксенобиотиков.

15.Разнообразие субстратов для микроорганизмов.

16.Ферментация чая.

86