• 1. История развития биотехнологии и основные ее аспекты
  • 2. Биологические аспекты биотехнологии 2.1. Общая биология, микробиология и физиология клеток
  • 2.2. Молекулярная биология и генетика клеток
  • 3. Химические аспекты биотехнологии 3.1. Биоорганическая химия и биохимия
  • 3.2. Биофизическая химия
  • 4. Технологические аспекты биотехнологии 4.1. Методы биотехнологии
  • 4.2. Области применения современной биотехнологии. Феноменологическое описание технологий
  • 5. Научные основы инженерного
  • 5.2. Материальный и энергетический
  • 5.3. Основы моделирования
  • 5.4. Описание основного оборудования для выделения, концентрирования и очистки продуктов биосинтеза
  • 5.5. Принципы регулирования, контроля и автоматического управления процессами биосинтеза
  • Дополнительная литература
  • ШИФР СПЕЦИАЛЬНОСТИ

  • Скачать 287.53 Kb.


    Дата18.03.2018
    Размер287.53 Kb.
    ТипПрограмма

    Скачать 287.53 Kb.

    Программа разработана экспертными советами Высшей аттестаци онной комиссии по биологическим наукам и органической химии при уча



    ПРОГРАММА-МИНИМУМ

    кандидатского экзамена по специальности



    03.00.23 - «Биотехнология»

    по биологическим, медицинским, сельскохозяйственным,



    химическим и техническим наукам
    Введение
    В основу настоящей программы положены сведения из ряда отраслей наук, описывающих функционирование и перспективы развития современных отраслей биотехнологии. При сдаче кандидатского экзамена следует ориентироваться только на те разделы программы, которые соответствуют выбранному в диссертации направлению.

    Программа разработана экспертными советами Высшей аттестационной комиссии по биологическим наукам и органической химии при участии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова, Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова и Московского государственного университета инженерной экологии.
    1. История развития биотехнологии

    и основные ее аспекты
    Полидисциплинарность современных биотехнологий. Биотехнология как направление научно-технического прогресса, опирающееся на междисциплинарные знания - биологические (генетика, биохимия, биофизика, микробиология, вирусология, физиология клеток растений и животных и др.), химические (химическая технология, физическая (биофизическая) химия, органическая химия, биоорганическая химия, компьютерная и комбинаторная химия и др.), технические (процессы и аппараты, системы контроля и управления, автоматизированные комплексы, моделирование и оптимизация процессов и др.).

    Понятие биотехнологии как технологического приема получения модифицированных биообъектов с целью придания им новых свойств и/ или способности производить новые вещества.

    Основные области применения современной биотехнологии и основные ее аспекты (биологические, химические, технологические). Научные основы инженерного оформления биотехнологии.

    2. Биологические аспекты биотехнологии
    2.1. Общая биология, микробиология и физиология клеток

    Определение жизни и свойства живого. Уровни организации живой материи. Клетка как основа наследственности и воспроизведения. Строение ядра и его роль в наследственности. Химический состав клетки (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды, нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, пептидогликаны, полифосфаты, минеральные компоненты и вода).



    Строение и функции клетки (различия клеток прокариот и эукариот). Строение клеточной стенки бактерий.

    Обмен веществ как совокупность пластического и энергетического обменов. Жизненный цикл клеток и типы клеточного деления (амитоз, митоз, мейоз).

    Законы Менделя и их интерпретация с точки зрения хромосомной теории наследственности. Наследственность и изменчивость. Формы изменчивости.

    Основные положения эволюционной теории Ч. Дарвина, ее отличия от теории Ламарка. Формы отбора, типы видообразования, основные пути эволюции.

    Молекулярные основы организации хромосомы. Функции ДНК, гистонов, РНК в клеточном метаболизме. Сцепление и кроссинговер. Рекомбинация у бактериофагов.



    Положение микроорганизмов среди других организмов. Сапрофиты, паразиты, патогенные формы. Принципы классификации бактерий: эубактерии, цианобактерии, архебактерии. Общая биология протистов: водоросли, простейшие. Грибы. Вирусы. Вирусные инфекции, лизогения.

    Механизм поступления в клетки эукариотов и прокариотов экзогенных веществ. Физиология питания. Элементы питания, их значение для процесса биосинтеза. Разнообразие типов питания микроорганизмов (автотрофия, гетеротрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия, хемолитотрофия, хемоорганотрофия). Разнообразие источников углерода, азота, фосфора, серы и других элементов, используемых микроорганизмами.



    Теория лимитирования и ингибирования роста клеток элементами питания.

    Физиология энергетического обмена: использование клетками энер-годающих процессов, их эффективность и зависимость от условий среды. Экономический коэффициент и его связь с условиями роста.

    Взаимодействие клеток и среды, влияние внешних физических и физико-химических факторов на рост и биосинтез у микроорганизмов. Норма и стресс, проблема сохранения способности к сверхсинтезам.

    Физиология отмирания.

    Связь структуры и функции. Функциональная цитология, вопросы дифференциации и условия, ее вызывающие.

    Способы культивирования микроорганизмов (периодическое, непрерывное, иммобилизация клеток и ферментов).

    Смешанные культуры, консорциумы. Принципы их культивирования.

    Метаболизм микроорганизмов. Взаимосвязь биосинтетических и энергетических процессов. Понятие «биологическое окисление». Особенности электронтранспортных систем микроорганизмов. Анаэробные процессы окисления. Анаэробное дыхание. Брожение.

    Аэробное дыхание. Разнообразие субстратов, окисляемых микроорганизмами (природные биополимеры, углеводороды, ксенобиотики и др.). Полное аэробное окисление субстрата, неполное окисление и трансформация органических субстратов. Окисление неорганических субстратов. Особенности бактериального фотосинтеза.

    Биосинтетические процессы. Ассимиляционная нитратредукция, сульфатредукция, азотфиксация.



    Основные мономеры конструктивного метаболизма. Пути образования и дальнейшего их использования. Значение цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного шунта в конструктивном метаболизме.

    Синтез липидов, полисахаридов и других компонентов клетки. Практическое значение этих процессов. Образование микроорганизмами биологически активных веществ: ферментов, антибиотиков, витаминов, токсинов. Первичные и вторичные метаболиты. Их роль в природе. Практическое использование.

    Селекция, генетические основы селекции. Понятие о генотипе и фенотипе. Наследственность, изменчивость, отбор микроорганизмов. Рекомбинация. Понятие о генетике популяций и популяционной изменчивости. Методы селекции. Селекция микроорганизмов. Производственный ферментатор как экологическая ниша.

    Биосфера и распространение микроорганизмов. Участие микроорганизмов в круговоротах углерода, азота, кислорода, серы. Формы взаимоотношений микроорганизмов.
    2.2. Молекулярная биология и генетика клеток

    Понятие гена в «классической» и молекулярной генетике, его эволюция. Вклад методологии генной инженерии в развитие молекулярной генетики. Прикладное значение генной инженерии для биотехнологии.

    Молекулярные основы наследственности.



    Природа генетического материала. Особенности строения генетического материала про- и эукариот. Транскрипция ДНК, ее компоненты. РНК-полимераза и промотор. Трансляция, ее этапы, функция рибосом. Генетический код и его свойства. Репликация ДНК и ее генетический контроль. Рекомбинация, ее типы и модели. Механизмы репарации ДНК. Взаимосвязь процессов репликации, рекомбинации и репарации.

    Мутационный процесс. Роль биохимических мутантов в формировании теории «один ген - один фермент». Классификация мутаций. Спонтанный и индуцированный мутагенез. Классификация мутагенов. Молекулярный механизм мутагенеза. Идентификация и селекция мутантов. Супрессия: внутригенная, межгенная и фенотипическая.

    Внехромосомные генетические элементы. Плазмиды, их строение и классификация. Половой фактор F, его строение и жизненный цикл. Роль фактора F в мобилизации хромосомного переноса. Образование доноров типа Hfr и F. Механизм конъюгации. Бактериофаги, их структура и жизненный цикл. Вирулентные и умеренные бактериофаги. Мигрирующие генетические элементы: транспозоны и IS-последовательности, их роль в генетическом обмене.

    Исследование структуры и функции гена.



    Элементы генетического анализа. Цис-транс-комплементационный тест. Генетическое картирование. Физический анализ структуры гена. Рестрикционный анализ. Методы секвенирования. Выявление функции гена.

    Регуляция экспрессии генов. Концепции оперона и регулона. Контроль на уровне инициации транскрипции. Промотор, оператор и регуляторные белки. Позитивный и негативный контроль экспрессии генов. Контроль на уровне терминации транскрипции. Полярный эффект и его супрессия. Катаболитконтролируемые опероны: модель лактозного оперона. Аттенюаторконтролируемые опероны: модель триптофанового оперона. Мультивалентная регуляция экспрессии генов. Посттранскрипционный контроль.

    Основы генной инженерии.



    Механизм генных мутаций, генетический контроль. Ферменты рестрикции и модификации. Выделение и клонирование генов. Векторы для молекулярного клонирования. Принципы конструирования рекомбинантных ДНК и их введения в реципиентные клетки.

    3. Химические аспекты биотехнологии
    3.1. Биоорганическая химия и биохимия

    Основные объекты исследования биоорганической химии. Методы исследования: химические, физические, физико-химические, биохимические. Компьютерная химия. Синтез и выделение продуктов, установление строения, изучение взаимосвязи между химическим строением и биологической активностью (биологической функцией) соединений.

    Белки. Аминокислоты как мономерные структурные единицы белков и пептидов. Стереохимия. Проекция Фишера. Уровни структуры белков. Первичная структура: методы определения последовательности аминокислот, секвенаторы. Вторичная структура белков: альфа- и бета- структуры. Третичная и четвертичная (субъединичная) структуры белков. Роль водородных, ионных, дисульфидных связей, гидрофобных взаимодействий. Денатурация (обратимая, необратимая) белков. Понятие о регуляторных белках.

    Нуклеиновые кислоты. ДНК и РНК. Структурные компоненты. Типы связей. Пространственная структура полимерных цепей. Двойная спираль ДНК. Комплементарность оснований. Методы определения нуклеотидной последовательности в нуклеиновых кислотах. Рестрикция, рестриктазы. Химико-ферментативный синтез олиго- и полинуклеотидов.

    Биосинтез нуклеиновых кислот. Ферменты биосинтеза. Понятие о транскрипции, обратная транскриптаза.

    Углеводы. Моносахариды. Строение и стереохимия. Альдозы, кетозы. Ациклические и циклические структуры моносахаридов. Пиранозы, фуранозы, альфа- и бета-аномеры. Понятие о конформации. Пентозы (рибоза, арабиноза, ксилоза), гексозы (глюкоза, манноза, галактоза). Дезоксисахара (фукоза, 2-дезоксирибоза), аминодезоксисахара, уроновые кислоты, сиаловые кислоты. Моносахариды как структурные мономерные единицы олиго- и полисахаридов. Структурный анализ олиго- и полисахаридов. Функции олиго- и полисахаридов. Понятие о лектинах. Целлюлоза, крахмал, гликоген. Углеводсодержащие смешанные биополимеры. Гликопротеины, пептидогликаны, тейхоевые кислоты.

    Липиды. Классификация липидов. Нейтральные липиды, фосфолипиды, сфинголипиды. Структурные компоненты липидов. Жирные кислоты. Высшие спирты, альдегиды. Полиолы, глицерин, миоинозит. Стереохимия липидов. Липопротеиды. Понятие о строении биологических мембран. Липосомы.

    Низкомолекулярные биорегуляторы - коферменты и витамины: НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, тиаминпирофосфат, липоевая кислота, АТФ, биотин, аскорбиновая кислота, фолиевая кислота, пантотенат кальция, кобаламины. Каскад арахидоновой кислоты. Простагландины. Биогенные амины: ацетилхолин, серотонин и др.



    Антибиотики как природные антиметаболиты. Пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины, аминогликозиды, противоопухолевые антибиотики. Полусинтетические антибиотики.

    Ферменты и их биохимическая роль. Классификация и номенклатура. Активные центры ферментов. Субстратная специфичность. Факторы, обеспечивающие ферментативный катализ. Роль металлов в функционировании ферментов. Ингибиторы: обратимые (конкурентные, неконкурентные), необратимые. Обратимая и необратимая денатурация ферментов. Способы иммобилизации ферментов на различных носителях.

    Внутри- и внеклеточные ферменты.

    Метаболический фонд микробных клеток. Общие представления об анаболизме и катаболизме.

    Основные пути ассимиляции субстратов: белков, жиров, углеводов, аминокислот, углеводородов, спиртов, органических кислот, минеральных компонентов. Гликолиз и брожение. Цикл Кребса, регуляция активности ферментных систем в цикле. Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов. Энергетическая эффективность цикла Кребса и гликолиза. Цепь переноса электронов, окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи. Биосинтез через ацетил-КоА. Функции НАДН+ и НАД(Ф)Н+ в реакциях синтеза.

    Биосинтез белков, роль нуклеиновых кислот. Рибосомный путь биосинтеза.

    Принципы биоэнергетики. Пути и механизмы преобразования энергии в живых системах. Образование АТФ и других макроэргических соединений в клетках. Роль АТФ и трансмембранной разности электрохимических потенциалов (ТЭП) в трансформации и запасании энергии в клетке. Мембранная биоэнергетика: ионные насосы, первичные и вторичные генераторы ТЭП. Понятие об энергетическом заряде и энергетической эффективности роста. Основные типы сопряжения катаболических и анаболических процессов.

    Аэробное дыхание. Дыхательная цепь. Основные виды акцепторов электронов. Типы брожения. Системы субстратного фосфорилирования.

    Биосинтетические процессы в клетке. Биосинтез биополимеров: белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. Основные этапы процессов, их организация в клетках эу- и прокариот. Биосинтез липидов, биогенез биомембран. Биосинтез cахаров, L-аминокислот, нуклеотидов, витаминов (коферментов). Вторичные метаболиты. Азотфиксация.



    Фотосинтез. Основные типы процессов, доноры электронов. Бесхлорофильный фотосинтез. Фоторецептор.

    Регуляция метаболизма. Определение, уровни регуляции. Регуляция репликации ДНК и биосинтеза белков. Регуляция транскрипции. Регуляция трансляции. Посттрансляционная модификация. Регуляция активности ферментов путем обратимой ковалентной модификации. Регуляция активности путем нековалентного взаимодействия с эффекторами. Регуляция клеточного деления. Взаимодействие регуляторных механизмов при управлении скоростью роста клеток.

    Транспорт субстратов и продуктов. Механизмы клеточной проницаемости: физическая диффузия, «облегченная» диффузия, первичный и вторичный активный транспорт. Организация транспортных систем. Способы сопряжения транспорта с энергией метаболизма. Регуляция транспортных процессов. Секреция и экскреция. Мембранная регуляция. Регуляция на уровне генома.
    3.2. Биофизическая химия

    Термодинамические расчеты биохимических реакций.



    Теплота и свободные энергии, влияние температуры, рН и природы растворителей. Основные понятия термодинамики необратимых процессов: степень полноты реакции, некомпенсированная теплота и сродство. Сопряженные реакции. Обмен энергией и энтропией между клеткой и средой.

    Кинетические основы ферментативных процессов.



    Стационарная кинетика ферментативных реакций, уравнение Михаэлиса-Ментен. Влияние ингибиторов и активаторов на скорость ферментативных реакций. Температурная и рН-зависимость активности ферментов, инактивация ферментов.

    Кинетические основы микробиологических процессов.



    Кинетическое описание процесса роста микроорганизмов. Экспоненциальная модель роста. Уравнение Моно-Иерусалимского. Математическое описание периодической, турбидостатной и хемостатной культуры. Кинетическое описание смешанных культур. Кинетика гибели микроорганизмов. Кинетическое описание биосинтеза продуктов микроорганизмами.

    Мембранный потенциал. Редокс-потенциалы в биологических системах. Перенос вещества через мембраны. Мембранное равновесие, уравнение Доннана. Буферные смеси и их биологическая роль.

    Адсорбция и поверхностные явления в биологических системах. Основные принципы хроматографии, ее применение.



    Микробные популяции как коллоидные системы, стабилизация и коагуляция, седиментация. Высокомолекулярные биологические коллоидные системы, свойства растворов белков и полисахаридов. Физико-химические свойства гелей, роль гелей в биологических объектах.

    4. Технологические аспекты биотехнологии
    4.1. Методы биотехнологии

    Основные биообъекты биотехнологии: промышленные микроорганизмы, клетки и ткани растений, животных и человека, биокатализаторы, в том числе реконструированные продуценты биологически активных веществ (селекция, метод рекомбинантных ДНК, гибридомная технология).

    Сырье для биосинтеза и оценка его биологической ценности.

    Основные источники углерода, азота, фосфора, микроэлементов. Исследование новых источников сырья (включая вопросы его предварительной обработки), разработка новых питательных сред, в том числе включающих биостимуляторы и другие элементы управления и оптимизации процессов биосинтеза. Методы оптимизации питательных сред.

    Типовые технологические приемы и особенности культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений, животных и человека. Непрерывные процессы культивирования. Теория хемостата.

    Автоселекция в хемостате.

    Полунепрерывные (fed batch culture) и периодические процессы культивирования.

    Кинетическое описание периодического культивирования.



    Удельные скорости роста биомассы, биосинтеза продукта и потребления субстратов. Понятие о С-моле биомассы. Влияние затрат субстрата на поддержание жизнедеятельности, на величину кажущегося экономического коэффициента.

    Модели кинетики биосинтеза продуктов метаболизма в зависимости от удельной скорости роста, возраста культуры, концентрации субстратов и метаболитов в среде.

    Принципы масштабирования процессов ферментации. Критерии масштабного перехода.



    Особенности получения иммобилизованных биообъектов и их применение в биотехнологии. Диффузионные ограничения при использовании иммобилизованных ферментов и клеток.

    Методы контроля специфических параметров процесса ферментации.



    Типовые технологические приемы стадии выделения и очистки продуктов биосинтеза.

    Флотация клеток и белковых продуктов из культуральной жидкости. Экстрагирование продуктов биосинтеза из биомассы микроорганизмов жидкостями и суперкритическими жидкостями. Центробежная экстракция лабильных продуктов из культуральной жидкости.

    Сушка лабильных биопродуктов и живых биопрепаратов.

    Тестирование биологически активных веществ по типовым схемам.

    Вопросы надежности и безопасных условий эксплуатации, контроля биопроцесса, охраны окружающей среды.

    Современные подходы к созданию ресурсо- и энергосберегающих биотехнологий.
    4.2. Области применения современной биотехнологии.

    Феноменологическое описание технологий

    4.2.1. Биотехнологии для сельскохозяйственного производства (сельскохозяйственная биотехнология).

    Конструирование генно-инженерно-модифицированных (трансгенных) растений. Технологии генной инженерии растений. Создание растений, устойчивых к болезням и вредителям. Повышение продуктивности растений. Создание растений с улучшенными питательными свойствами. Проблемы и перспективы.

    Качество, безопасность и сертификация генмодифицированного сырья и пищевых продуктов на их основе.

    Применение генной инженерии в животноводстве (трансгенные животные как «биореакторы» биологически активных веществ).

    4.2.2. Биотехнологии для кормовой базы животноводства.

    Производство кормового белка-белка одноклеточных микроорганизмов. Промышленные штаммы-продуценты. Сырьевая база. Требования, предъявляемые к качеству готового продукта. Биомасса промышленных микроорганизмов как сырье для получения широкой гаммы продуктов различного назначения. Использование технологии утилизации различных отходов (целлюлозосодержащие материалы, молочная сыворотка, отходы пищевых и рыбоперерабатывающих производств).

    Микробиологическое производство ферментных препаратов для кормопроизводства.



    Микробиологическое производство индивидуальных L-аминокислот кормового назначения.

    Микробиологическое производство кормовых антибиотиков.



    Микробиологическое производство концентратов витаминов кормового назначения.

    Производство вакцин для животноводства.



    Производство пробиотиков для животноводства.

    4.2.3. Производство микробных препаратов для растениеводства.

    Биотехнологии бактериальных и грибных средств защиты растений

    от вредных насекомых (инсектициды, фунгициды).



    Биотехнологии антибиотиков против корневой гнили и мучнистой росы.

    Биотехнологии бактериальных удобрений.

    Производство стимуляторов роста растений гормональной природы.

    Достижения биотехнологии в области создания свободного от вредной микрофлоры посадочного материала (рассады).

    4.2.4. Биотехнологии для пищевой и легкой промышленности.

    Микробиологическое производство индивидуальных органических

    кислот (лимонная, яблочная, аспарагиновая кислоты).



    Микробиологическое производство ферментных препаратов. Использование ферментов микробного происхождения для пищевой промышленности: производство пищевого этанола, виноматериалов, пива, хлебопекарских дрожжей; производство ферментных препаратов (ренни-ноподобные протеиназы, глюкоизомеразы, бета-галактозидазы, бета-фруктофуранозидазы); производство препаратов, основанное на переработке биологического сырья, в том числе и биомасс промышленных микроорганизмов (препараты биологически активных добавок, содержащих смеси аминокислот, пептидов, витаминов и микроэлементов; пищевкусовые добавки; концентраты и изоляты белковых веществ); производство подсластителей-заменителей сахара (глюкозо-фруктозные сиропы, аспартам); производство консервантов (низина).

    Использование ферментов для текстильных, кожевенных технологий, при производстве стиральных порошков.

    4.2.5. Медицинская биотехнология (биотехнология для медицины).

    Использование методов иммобилизации биообъектов в медицинских биотехнологиях и в диагностике заболеваний. Основы современной иммунобиотехнологии. Гибридомная технология. Использование антител для очистки биологических жидкостей. Типы вакцин и их конструирование. Культуральные и генно-инженерные вакцины. Производство сывороток. Современные прививочные препараты. Препараты на основе живых культур микроорганизмов (нормофлоры и пробиотики). Иммуносенсоры. Производство биосенсоров на основе ферментов. Диагностические средства in vitro для клинических исследований. Производство пробиотиков. Производство ферментов медицинского назначения. Создание ферментов с помощью методов генной инженерии. Производство препаратов на основе смеси L-аминокислот для перорального и парентерального питания. Технологии лекарственных препаратов на базе стабильных адресных липосом. Конструирование и производство генно-инженерного инсулина. Другие генно-инженерные лекарства и препараты.

    Производство иммуномодуляторов, иммуностимуляторов и иммунодепрессантов.

    Микробиологическое производство антибиотиков различных классов для медицины. Полусинтетические антибиотики.

    Микробиологическое производство витаминов для здравоохранения.



    Технологии продуктов трансформации органических соединений ферментами микробных клеток: сорбит в производстве аскорбиновой кислоты; гидрокортизон и превращение его в преднизолон; продукты дегидрирования, восстановления и гидроксилирования стероидов; продукты окисления производных индола и пиридина.

    Технологии культивирования in vitro клеток и тканей растений для получения фитопрепаратов и лечебно-профилактических добавок.

    4.2.6. Биотехнологии получения энергоносителей для энергетики.

    Микробиологическое производство возобновляемых источников энергии: низших спиртов, ацетона, метана биоконверсией органических отходов и растительного сырья. Микробиологическое производство водорода.

    4.2.7. Биотехнологии для нефте- и горнодобывающей и обогатительной промышленности.

    Геомикробиология и экология нефте- и угледобычи. Бактериальное выщелачивание химических элементов из руд, концентратов и горных пород, обогащение руд, биосорбция металлов из растворов. Удаление серы из нефти и угля. Повышение нефтеотдачи. Удаление метана из угольных пластов. Подавление биокоррозии нефтепроводов.

    Производство био- и фоторазлагаемых конструкционных пластмасс для промышленной энергетики.

    4.2.8. Биотехнологические методы защиты окружающей среды (экологическая биотехнология).

    Антропогенные факторы химического и биологического загрязнения окружающей среды. Органические ксенобиотики, соединения азота, серы, фосфора, тяжелые металлы и радионуклиды.

    Биологические методы для решения задач охраны окружающей среды. Основные биохимические пути микробиологической трансформации загрязняющих веществ. Микроорганизмы -биодеструкторы.

    Биологическая очистка сточных вод. Принципиальные схемы очистных сооружений. Основные принципы работы, методы и сооружения аэробной и анаэробной биологической очистки сточных вод и переработки промышленных отходов.

    Утилизация диоксида углерода с помощью микроорганизмов.



    Биологические методы очистки воздуха. Биологическая дезодорация газов. Основные методы и принципиальные конструкции установок.

    Биоремедиация и биологическая очистка природных сред. Основные подходы. Создание технологий для восстановления окружающей среды с использованием генно-инженерно-модифицированных микроорганизмов. Разработка биотехнологических способов уничтожения химического оружия.



    Биологическая переработка твердых отходов. Биодеструкция природных и синтетических полимерных материалов. Компостирование. Вермикультура.

    Биологическая коррозия и биоциды.



    Мониторинг окружающей среды. Методы биотестирования и биоиндикации в мониторинге.
    5. Научные основы инженерного

    оформления биотехнологий

    5.1. Стерилизация технологических потоков и оборудования

    Классификация производств биосинтеза по отношению к контаминации. Возможные пути проникновения посторонней микрофлоры в биореактор. Асептическое культивирование. Методы отделения и деструкции контаминантов, их сравнительный анализ.

    Способы стерилизации жидкостей, твердых субстратов и воздуха. Термическая стерилизация. Критерии стерилизации, их расчет для изотермического, непрерывного и нестационарных условий. Аппаратурное оформление стадий. Деконтаминация воздуха и оборудования в производственных помещениях.
    5.2. Материальный и энергетический балансы процесса биосинтеза

    Стехиометрия микробиологического синтеза. Методы расчета стехиометрических коэффициентов и составление материального баланса стадии биосинтеза.

    Влияние условий культивирования продуцента на тепловыделение, величину экономического коэффициента и степень утилизации субстрата. Потребление кислорода микроорганизмами. Массопередача кислорода от воздуха к клеткам. Концентрационные «ямы». Массопередача углекислого газа. Массообменные характеристики ферментационного оборудования. Пенообразование и пеногашение. Перемешивание при ферментации и его виды.

    Массообменный и тепловой расчеты биореакторов: по областям применения, по условиям проведения процессов биосинтеза.

    Основное ферментационное оборудование, его виды и предварительный подбор.



    Биореакторы периодические и непрерывно действующие, полного смешения, полного вытеснения и промежуточного типа.

    Биореакторы для осуществления асептических, условно-асептических и неасептических операций.

    Классификация биореакторов по способу ввода энергии: аппараты с механическим перемешиванием, барботажный, эрлифтный.

    Методы определения величины коэффициента массопередачи в биореакторах различной конструкции.
    5.3. Основы моделирования биореакторов

    Этапы моделирования. Параметры моделирования и их сопоставление. Моделирование по вводимой удельной энергии, по интенсивности массопереноса кислорода.

    Исследование и разработка принципов и алгоритмов оптимального компьютерного проектирования биотехнологических систем.
    5.4. Описание основного оборудования для выделения,

    концентрирования и очистки продуктов биосинтеза

    с целью получения готовых товарных форм препаратов

    Оборудование для разделения микробных суспензий, жидкой и твердой фазы (центрифуги осадительного и фильтрующего типа с периодической и с непрерывной выгрузкой осадка; суперцентрифуги; сепараторы для фильтрования и отжима осадков).

    Оборудование для концентрирования культуральных жидкостей и нативных растворов вакуум-выпариванием (аппараты с восходящей и падающей пленкой; роторно-пленочные испарители).

    Оборудование для проведения процессов осаждения (влияние начальной концентрации осаждаемого вещества, температуры на скорость образования осадка).

    Оборудование для проведения процессов экстракции из твердой фазы и органическим растворителем (влияние соотношения фаз, времени контакта фаз на эффективность процесса).



    Оборудование для баромембранного разделения и очистки продуктов биосинтеза и воздуха (микрофильтрация, ультрафильтрация; обратный осмос; селективность баромембранных процессов; концентрация гелеобразования).

    Оборудование для хроматографического концентрирования и разделения компонентов нативного раствора (ионный обмен и гельфильтрация; очистка продуктов биосинтеза на гидрофобных сорбентах).

    Оборудование для сушки биотехнологической продукции (сушилки распылительные, вальцово-ленточные, барабанные, кипящего слоя, пневматические, сублимационные, вакуумные и вакуумные с подбросом давления).

    Оборудование для очистки газо-воздушных выбросов и сточных вод (трубы Вентури, скрубберы мокрой очистки, отстойники, биофильтры, аэротенки, окситенки, метантенки).


    5.5. Принципы регулирования, контроля и автоматического

    управления процессами биосинтеза

    Создание и эксплуатация приборов, систем измерения физико-химических, физиологических и биофизических параметров, компьютеризированных технологических комплексов.

    Литература


    1. Грин Н., Стаут У, Тейлор Д. Биология. Т. 1-3. М.: Мир, 1990 г.

    1. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987.

    2. Щелкунов С.А. Генетическая инженерия. Ч. 1. Новосибирск: НГУ, 1994.

    3. Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994,444 с.

    4. Биотехнология. (Учебное пособие для вузов под ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д.). В 8-ми книгах. М.: Высшая школа, 1987.

    5. Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1990, 272 с.

    6. Варфоломеев С.Д., Калюжный СВ. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов. М.: Высшая школа, 1990, 296 с.

    7. Блинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб.: Наука (Сибирское отделение), 1995,600 с.

    8. Грачева И.М., Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. М.:Элевар,2000,512с.

    9. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. В 2 т. М.: Мир, 1989.



    Дополнительная литература


    1. Стейниер Р., Эдельберг Э., Чигрэм Д.Н. Мир микробов. Т. 1-3. М.: Мир, 1979.

    2. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х томах. М.: Мир, 1985, 1051с.

    3. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987.

    4. Промышленная микробиология. Под ред. Егорова Н.С. М.: Высшая школа, 1989.

    1. Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1990, 271 с.

    2. Грачева И.М., Иванова Л.А, Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. М.: Колос, 1992, 383 с.

    3. Матвеев В.Е. Научные основы микробиологической технологии. М.: Агропромиздат, 1985, 224 с.

    4. Калунянц К.А., Голгер Л.И., Балашов В.Е. Оборудование микробиологических производств. М.: Агропромиздат, 1987, 398 с.

    5. Бирюков В.В., Кантере В.М. Оптимизация периодических процесссов микробиологического синтеза. М.: Наука, 1985, 292 с



    ШИФР СПЕЦИАЛЬНОСТИ: 02.00.10

    БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Формула специальности

    Биоорганическая химия — наука, охватывающая круг проблем, связанных с изучением органо-химическими и физико-химическими методами структуры и функции биомолекул.

    Области исследований

    1. Структурно-функциональные и синтетические исследования биологически значимых высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и смешанных биополимеров любых типов).

    2. Изучение химических основ деятельности высокоорганизованных частей клетки (например, клеточных мембран, рецепторных клеток и органов, целых клеток или органов).

    3. Проблемы нейро- и иммунохимии, связанные с особенностями строения компонентов соответствующих биологических систем.

    4. Выделение и синтез молекулярных ансамблей, моделирующих функции природных живых систем (например, фотосинтез, передача нервного импульса, лиганд-рецепторные взаимодействия, и др.).

    5. Низкомолекулярные биорегуляторы; пептиды, нуклеотиды, пептидные и стероидные гормоны, витамины, липиды, простагландины, лейкотриены и другие метаболиты арахидоновой кислоты, алкалоиды и другие химические соединения из микроорганизмов, грибов, водорослей, растений и животных, их синтетические аналоги, а также синтетические биологически активные вещества (лекарства, пестициды).

    6. Экологические проблемы, вопросы анализа природных токсикантов, ксенобиотиков и охраны окружающей природы.

    7. Создание высокоэффективных биотехнологических процессов.

    Отрасль наук: химические науки биологические науки

    15

    Коьрта
    Контакты

        Главная страница


    Программа разработана экспертными советами Высшей аттестаци онной комиссии по биологическим наукам и органической химии при уча

    Скачать 287.53 Kb.