МОДУЛЬ 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»
Цель – дать представление о теоретических и экспериментальных подходах к изучению кинетики микробного роста.
Задачи:
–обучение методологии теоретико-экспериментального планирования эксперимента, методам построения моделей роста микроорганизмов;
–обучение технике культивирования микроорганизмов с регистрацией стадийности роста микроорганизмов.
Объект: микробные культуры, лабораторное ферментационное и аналитическое оборудование.
Работа 1.1. Планирование эксперимента и построение модели на примере выращивания микроорганизмов
Цель работы: приобретение навыков в проведении гетеротрофного культивирования микроорганизмов, в планировании эксперимента и получении модели.
Планирование эксперимента применяется для изучения механизмов протекающих биотехнологических процессов и их оптимизации. Задачей планирования является выбор необходимых для эксперимента опытов, методов математической обработки их результатов и принятия решений. Планирование эксперимента предполагает активное вмешательство в процесс и возможность выбора в каждом опыте тех факторов, которые представляют интерес.
Все способы воздействия на изучаемый объект обозначаются буквой X и называются факторами. Каждый фактор может принимать в опыте одно из нескольких значений, такие значения называются уровнями. При планировании эксперимента полученные результаты должны быть воспроизводимыми, а объект управляем. Общую схему реализации эксперимента представляют в следущем виде:
Введение в биотехнологию. Метод. указания по лабораторным работам |
-6- |
МОДУЛЬ 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»
Работа 1.1. Планирование эксперимента и построение модели на примере выращивания микроорганизмов
Сбор и анализ данных по культивированию
Выбор факторов (критериев оптимизации)
Постановка эксперимента по матрице планирования
Получение обобщающей зависимости
Проверка адекватности модели и значимости коэффициентов
Экспериментальная проверка расчетных параметров
Оптимизация модели
В данной работе в качестве переменного фактора приняты температура рабочей жидкости X1, концентрация фруктозы Х2 и объем рабочей среды X3. Выходным параметром является удельная скорость роста биомассы микроорганизмов Y при гетеротрофном культивировании.
Материалыиоборудование:
1.Музейная культура штамма R. eutrophus B-5786;
2.Стерильный раствор базового фосфатного буфера для среды;
3.Маточные стерильные растворы микроэлементов, железа лимоннокислого, сульфата магния и хлористого аммония;
4.Шпатели, спиртовка, мерная посуда, пипетки, колбы для выращивания бактерий, резиновые пробки с микробиологическими фильтрами;
5.Термостатируемая качалка.
Ходработы:
1.Рассчитать количество необходимых опытов по формуле N = 2n, где n – количество факторов X1, X2, X3.
2.Построить матрицу планирования в виде табл. 1.1.
Введение в биотехнологию. Метод. указания по лабораторным работам |
-7- |
МОДУЛЬ 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»
Работа 1.1. Планирование эксперимента и построение модели на примере выращивания микроорганизмов
Таблица 1.1
Матрица планирования
Эксперимент |
X1 |
X2 |
X3 |
1 |
+ |
+ |
+ |
2 |
- |
+ |
+ |
3 |
+ |
- |
+ |
4 |
- |
- |
+ |
5 |
+ |
+ |
- |
6 |
- |
+ |
- |
7 |
+ |
- |
- |
8 |
- |
- |
- |
3. |
Принять средний (нулевой) уровень и шаг варьирования: |
||
|
температура |
X10 |
= 28 0C, шаг h = 2; |
|
концентрация фруктозы |
X20 |
= 8 г/л, шаг h = 4; |
4. |
объем среды в колбе |
X30 |
= 80 мл, шаг h = 20. |
Согласно требованиям, представленнымв табл.1.1, провести эксперимент: |
|||
–разделиться на две группы;
–каждой группе приготовить питательную среду с заданным значением концентрации фруктозы (12 г/л и 4 г/л);
–в микробиологическом боксе к 0,5 л среды в стерильных условиях над спиртовкой добавить 2,5 мл стандартного раствора железа, 1,5 мл раствора микроэлементов, 2 мл раствора сульфата магния и требуемый объем раствора хлорида аммония (в 1 мл которого содержится 100 мг соли);
–около 200 мл среды отбросить;
–оставшиеся 300 мл среды засеять инокулятом, смыв культуру с одного музейного “косяка”(использовать шпатели);
–инокулят разлить в ферментационные колбы требуемого объема (колбы с объемом рабочей жидкости по 100 и 60 мл);
–колбы плотно закрыть пробками;
–колбы подписать согласно номеру эксперимента;
–на ФЭК измерить оптическую плотность (без разведения) каждого инокулята;
–колбы установить на качалку.
5.По истечении 15 часов культивирования через каждые 30 мин провести измерения оптической плотности культуры, по калибровочной кривой
определить концентрацию биомассы в культуре, рассчитать удельную скорость роста Y, ч-1.
6.Данные занести в табл. 1.2.
Введение в биотехнологию. Метод. указания по лабораторным работам |
-8- |
МОДУЛЬ 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»
Работа 1.1. Планирование эксперимента и построение модели на примере выращивания микроорганизмов
Таблица 1.2
Матрица планирования в размерных параметрах
Экспери- |
X1 |
X2 |
X3 |
Yi |
Yср |
мент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. Построить матрицу планирования (табл. 1.3) в безразмерном виде.
|
Матрица планирования в безразмерном виде |
|
Таблица 1.3 |
|||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Экс- |
x0 |
x1 |
x2 |
|
x3 |
Y ср |
перимент |
|
|
|
|
|
|
1 |
+ 1 |
+1 |
+1 |
|
+1 |
|
2 |
+1 |
-1 |
+1 |
|
+1 |
|
3 |
+1 |
+1 |
-1 |
|
+1 |
|
4 |
+1 |
-1 |
-1 |
|
+1 |
|
5 |
+1 |
+1 |
+1 |
|
-1 |
|
6 |
+1 |
-1 |
+1 |
|
-1 |
|
7 |
+1 |
+1 |
-1 |
|
-1 |
|
8 |
+1 |
-1 |
-1 |
|
-1 |
|
8. Рассчитать коэффициенты регрессии принятой модели:
Y = В0 + B1x1+ B2x2+ B3x3
по зависимости
Bi = 1 ∑N xi yi ,
N i=1
где N – число опытов.
9. Рассчитать построчные дисперсии параллельных опытов
|
1 |
m |
|
|
Si2 = |
∑(yi − ycp )2 |
, |
||
|
||||
|
m −1 i=1 |
|
||
где i – строчка матрицы; m – число экспериментов в каждой строчке.
10. Проверить однородность дисперсии по критерию Кохрена
(Gp < Gтабл)
Gp = SNi2max ,
∑Si2
ш=1
где Si2max −максимальная дисперсия из всех построчных.
11. Определить ошибку опытов
S y2 = |
1 ∑Si2 . |
|
|
|
|
N |
|
|
N |
i=1 |
|
|
|
|
|
Введение в биотехнологию. Метод. указания по лабораторным работам |
-9- |
||