Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биотехнологии и асептики проведения процессов. Учебно-методическое пособие
.pdf
71
аналитическим и графическим методами. Рассчитайте критическую
скорость разбавления.
9. Определите значения максимальной удельной скорости роста
m
и константы насыщения субстрата Ks для роста на среде с глюкозой
культуры микроорганизмов исходя из следующих экспериментальных
данных (S – концентрация субстрата, – удельная скорость роста):
S, мМ/л
, ч-1
1
3
5
7
10
12
14
16
0,23
0,38
0,43
0,47
0,49
0,50
0,50
0,50
10. Определите константу ингибирования роста бактерий этано-
лом в условиях неконкурентного ингибирования, когда So Ks, на основании следующих экспериментальных данных:
Концентрация этанола, мМ/л
Удельная скорость
роста, ч-1
0
15
31
46
126
0,55
0,46
0,38
0,27
0,14
11. Определите значение максимальной концентрации биомассы,
если начальная концентрация биомассы Хо = 0,01 г/л; экономический
коэффициент Ys = 0,1; начальная концентрация субстрата So = 10 г/л.
12. Определите максимальную удельную скорость роста
max
, эффективную константу субстратного насыщения Ksэфф., эффективную
константу ингибирования Kiэфф. для роста дрожжей на питательной
среде, содержащей в качестве единственного органического субстрата уксусную кислоту. Рост проходил при ингибировании избытком субстрата.
72
Этанол
Уксусная кислота
S, мМ/л
, ч-1
S, мМ/л
, ч-1
1
3
5
7
9
11
0,20
0.30
0.33
0.37
0.39
0.40
1
3
5
8
11
15
0,14
0.22
0.28
0.30
0.31
0.30
13. Определите экономический коэффициент для роста дрожжей
на среде с этанолом и уксусной кислотой по экспериментальным данным:
Этанол
Уксусная кислота
Х – Хо,
г АСБ/л
So – S, мМ/л
Х – Хо,
г АСБ/л
So – S, мМ/л
0,02
0,05
0,08
0,1
0,18
0,21
0,25
0,29
0,30
0,34
0,37
0,40
0,8
1,8
2,7
3,7
4,9
6,0
6,9
8,5
10,0
10,8
11,6
13,4
0,02
0,03
0,04
0.09
0,11
0,13
0,18
0,25
0,26
0,33
1,5
2,9
3,6
5,4
8,7
8,7
11,6
13,5
15,8
17,7
Здесь Х – текущее значение концентрации биомассы, Хо – началь-
ное значение концентрации биомассы, S – текущее значение концентра-
ции субстрата, So – начальная концентрация субстрата.
14. При росте дрожжей на глюкозе определена величина выхода
кислорода Υо2 = 1,12. Определите значения выходов по субстрату
и энергетического выхода роста.
15. При стерилизации питательной среды для культивирования
продуцента антибиотика бензилпенициллина были получены следующие данные:
73
Время, ч
Концентрация
биомассы, г/л
0 1 1
0,47
1,5
0,32
2
0,22
2,5
0,15
3
0,1
Определите значения удельной скорости гибели микробных клеток k и время τ10, в течение которого количество жизнеспособных клеток снижается в 10 раз.
16. Культуру клеток кишечной палочки E.coli выращивали
в аэробных условиях на питательной среде с глюкозой, содержащей
в качестве единственного источника азота хлорид аммония в лимитирующих рост концентрациях. В ходе опыта измеряли концентрацию
биомассы клеток и концентрацию хлорида аммония. Данные представлены в следующей таблице:
Концентрация
хлорида аммония
S, г/л
Концентрация
биомассы клеток
X, г/л
S0 – S
г/л
X – X
0
г/л
0,10
0,08
0,00
0,00
0,25
0,22
0,15
0,14
0,40
0,32
0,30
0,25
0,50
0,43
0,40
0,35
0,60
0,49
0,50
0,41
0,70
0,59
0,60
0,51
Здесь S0 и S –концентрация субстрата в начальный и текущий мо-
менты времени соответственно, X0 и X – начальная и текущая концентрация биомассы соответственно.
Определите по представленным данным экономический коэффи-
циент Y для хлорида аммония у исследуемой популяции.
17. Сравните между собой энергетическую эффективность роста
микроорганизмов при росте на гексадекане и на глюкозе со значениями
экономического коэффициента соответственно Υ = 1,1 и Υ = 0,6.
74
18. При культивировании микробной культуры были получены
следующие экспериментальные данные:
, ч-1
S, г/л
Х, г/л
0,05
0,10
0,20
0,30
0,40
0,45
0,263
0,556
1,250
2,143
3,333
4,090
2,368
2,222
1,875
1,429
0,833
0,455
Здесь – удельная скорость роста, S – концентрация субстрата,
Х – концентрация биомассы.
Найдите значения константы субстратного насыщения Ks, эко-
номического коэффициента Ys, максимальной удельной скорости роста
max
при начальной концентрации субстрата So = 5 г/л.
19. Определите несколькими способами (алгебраическим и гра-
фическим) значение константы уравнения Моно для роста дрожжей на
этаноле на основе следующих экспериментальных данных:
t, ч
Х, г/л
S, мМ/л
t, ч
Х, г/л
S, мМ/л
0
0,058
16,3
4,5
0,253
8.5
0,5
0,058
16,0
5,0
0,299
7.2
1,0
0,078
15,5
5,5
0,331
5.0
1,5
0,100
15,0
6,0
0,403
2.6
2,0
0,127
14,2
6,5
0,473
0,3
2,5
0,143
13,4
7,5
0,513
3,0
0,169
12,5
8,0
0,513
3,5
0,192
11,4
4,0
0,214
10,1
Здесь t – время, Х – концентрация биомассы, S – концентрация
субстрата.
20. В ходе проведения эксперимента были определены значения
удельных скоростей гибели микробной популяции k при разных температурах. Данные представлены в следующей таблице:
Т, ч
100
90
80
70
60
K, ч-1
0,5
0,46
0,29
0,17
0,1
Рассчитайте значение энергии активации.
75
Ф е р м е н т а т и в н а я к и н е т и к а
1. Ферментативная реакция соответствует уравнению Михаэлиса–
Ментен. Исходная концентрация субстрата Sо = 0,1 ммоль/л, максимальная скорость ферментативной реакции Vmax = 0,1 мкмоль/л∙с, константа
субстратного насыщения Ks = 0,01 ммоль/л. Определите остаточную кон-
центрацию субстрата через 10 мин после начала реакции.
2. Определите, какую часть максимальной скорости ферментативной реакции Vmax будет составлять скорость реакции при концентрациях субстрата, соответствующих значениям константы субстратного насыщения Ks, равным 0,5; 2 и 10.
3. При концентрациях субстрата 0,025 и 0,1 ммоль/л скорости
ферментативных реакций составили 0,138 и 0,185 мкмоль/лс соответственно. В присутствии ингибиторов в концентрации 0,001 ммоль/л
скорости реакции составили 0,164 и 0,1 ммоль/лс при тех же концентрациях субстрата. Определите тип ингибирования и параметры уравнения Михаэлиса–Ментен.
4. К 10 мл раствора, содержащего 1 мг/мл чистого фермента, добавили количество AgNO3, достаточное для полной инактивации фермента. Для этого потребовалось 0,342 мкмоль AgNO3.
Рассчитайте минимальную молекулярную массу фермента. При
расчете следует принять во внимание тот факт, что многие ферменты
необратимо ингибируются ионами металлов, такими как медь, серебро
и др., которые могут взаимодействовать с сульфгидрильными группами, важными для ферментативной активности. Сродство ионов серебра к SH-группам настолько велико, что почти каждая группа связывает
один ион.
5. При гидролизе крахмала были получены следующие данные:
S, мг/мл
1,00
2034
3,56
5,61
8,12
9,00
V
28,8
51,7
65,0
79,1
90,0
92,4
76
Внесение в реакционную смесь мальтозы привело к следующим
результатам:
S, мг/мл
1,67
2,04
3,33
4,55
7,70
10,0
V
34,2
38,9
51,4
58,9
71,4
77,0
Здесь S – концентрация субстрата, V – скорость ферментативной
реакции.
Определите тип ингибирования, пользуясь методом двойных обратных координат.
6. При ингибировании гидролиза крахмала предельным декстри-
ном в концентрации 13,35 мг/мл были получены следующие экспериментальные данные:
S, мг/мл
1,75
2,39
8,14
4,17
6,25
10,00
V
41,49
50,06
57,67
65,96
76,87
87,79
Здесь S – концентрация субстрата, V – скорость ферментативной
реакции.
Определите: а) тип ингибирования; б) значения константы субстратного насыщения, максимальной скорости ферментативной реакции и константу ингибирования.
7. Определите методом Лайнуивера–Берка, алгебраическим методом параметры ферментативной реакции исходя из следующих
начальных условий:
V
31,3
54,1
71,4
85,0
95,1 S 2 5 10
20
45
Здесь S – концентрация субстрата, V – скорость ферментативной
реакции.
8. Ход ферментативной реакции описывается уравнением Михаэлиса–Ментен.
Определите остаточную концентрацию субстрата через 5 мин по-
сле начала реакции, если начальная концентрация субстрата
So = 0,1 ммоль/л, максимальная скорость ферментативной реакции
Vmax = 0,1 мкмоль/л∙с, константа субстратного насыщения
Т, ч
100
90
80
70
60
K, ч-1
0,5
0,46
0,29
0,17
0,1
Ks = 0,01 ммоль/л.
9. В ходе проведения эксперимента были определены значения
удельных скоростей гибели микробной популяции k при разных температурах. Данные представлены в следующей таблице:
Рассчитайте значение энергии активации.
77
З А К Л Ю Ч Е Н И Е
Целью учебно-методического пособия является формирование
комплексного подхода к получению и анализу экспериментальных
данных, включающего развитие практических навыков работы
с культурами микроорганизмов и использование теоретических знаний для объяснения полученных результатов. Анализ основных закономерностей поведения биотехнологических объектов на отдельных
этапах производства способствует пониманию сущностных особенностей функционирования происходящих процессов, формирует теоретико-практическую основу для принятия обоснованных решений
при управлении биотехнологическим процессом. Предложенная
структура учебного пособия затрагивает основные этапы биотехнологического производства. Так, тема «Биотехнологические процессы
и асептика» связана с моделированием стерилизации питательных
сред и воздуха, а «Культивирование дрожжей на различных органических субстратах» ориентирована на рассмотрение теоретических
основ выращивания микроорганизмов в различных условиях.
Выполнение лабораторных работ способствует формированию
представлений об основных принципах организации и функционирования биотехнологических систем разного уровня организации, ознакомлению студентов с возможностями управления и оптимизации
биотехнологических систем на клеточном и популяционном уровнях.
В процессе выполнения лабораторных работ у студентов формируются навыки расчета основных физиологических констант роста микроорганизмов, а также выбора технологических параметров, способствующих принятию обоснованных решений управления процессами
культивирования. Студент должен уметь выбрать условия выращивания, позволяющие получить максимальный выход целевого продукта,
и предложить мероприятия для оптимизации процесса культивирования микроорганизмов. Формирование навыков тесно связано с необходимостью владения информацией о путях регуляции катаболизма
и анаболизма в различных биологических объектах, методами математического моделирования и анализа процессов культивирования микроорганизмов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся
по программе академического бакалавриата по специальности
78
«Биотехнология». Оно может быть использовано как при освоении
материала ряда дисциплин учебного плана подготовки специалистов,
так и при выполнении программ производственной, преддипломной
практик и выполнении выпускных квалификационных работ.
Представленные в пособии сведения могут быть полезны также
студентам, обучающимся по программе магистратуры направления
«Биотехнология».
79
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Подписано в печать 28.12.2022
Формат 6084 1/16
Бумага офсетная
Печать цифровая
4,65 усл. печ. л.
5,0 уч.-изд. л.
Тираж 400 экз.
Заказ 234/22
Издательство Казанского национального исследовательского
технологического университета
Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального
исследовательского технологического университета
420015, Казань, К. Маркса, 68
Сысоева Мария Александровна
Крыницкая Алла Юрьевна
Петухова Елена Владимировна
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
И АСЕПТИКИ ПРОВЕДЕНИЯ
ПРОЦЕССОВ
Редактор Л. Г. Шевчук
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]