Стехиометрия роста микроорганизмов и математическое моделирование

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Лекция 4

Дополнительная

Основная

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вопросы для самоконтроля

1) В чем заключается принцип минимума?

2) Какие законы были сформулированы Гаузе, применяемых к экологическим нишам?

3) Что изучает кинетика?

4) Основные виды моделей?

5) В чем заключается иммобилизация?

1) Биотехнология: Теория и практика / Н.В. Загоскина [и др.]. – М.: Оникс, 2009. – 496 с.

2) Вечканов, Е.М. Термодинамика и кинетика биологических процессов: учеб-метод. пособие для вузов / Е.М. Вечканов, В. В. Внуков. - Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2010. - 59 с.

1) Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. - СПб.: Наука, 1995, 600 с.

2) Биотехнология /Под ред. А. А. Баева. – М: Наука, 1984. – 309с.

3) Иммобилизованные ферменты / Под ред. М.В. Березина, В.К. Антонова, К. Мартинека. – М.: МГУ, 1976. Т.1. – 296с.

4) Биотехнология микробного синтеза / Под ред. М.Е. Бекера − Рига: Зинатне, 1980. − 350 с.

Рост популяций микроорганизмов имеет два количественных аспекта, тесно связанных между собой – стехиометрический и кинетический. Кинетика – совокупность закономерностей, определяющих зависимость скоростей метаболических процессов от свойств самого объекта и факторов внешней среды, влияющих на него. Стехиометрические закономерности определяют соотношение между этими скоростями.

Метаболизм представляет собой большую цепь из переплетающихся реакций, связанных стехиометрическими и регуляторными кинетическими связями.

Термин «стехиометрия» традиционно применяется к химическим и биохимическим реакциям. Его эквивалентом является термин «баланс», который чаще применяется к микробному синтезу.

Исследование баланса вещества и энергий при росте популяций микроорганизмов включает в себя следующие аспекты:

- количественные соотношения между различными стехиометрическими коэффициентами, описывающими распределение потоков вещества при метаболизме;

- взаимосвязь балансов вещества и энергии при росте микробных популяций;

- механизмы влияния среды и характеристик клеточного метаболизма на эффективность и скорость роста;

- максимальная достижимая эффективность роста популяций на различных субстратах;

- использование найденных закономерностей в исследовательской и биологической практике.

Микробиология является одной из областей современной науки, где математическое моделирование стало действенным средством научного исследования. Более того, математические модели прочно вошли в практику биотехнологического производства микроорганизмов как инструмент управления биотехнологическими процессами.

В большинстве своем микроорганизмы – одноклеточные организмы, они имеют высокое отношение поверхности к объему и поэтому высокие интенсивности обмена с окружающей средой. С этим связаны:

- высокие скорости размножения микроорганизмов,

- большой прирост биомассы,

- высокая скорость роста микробных популяций,

- высокая скорость микроэволюционных процессов в микробных сообществах.

Все это делает микробные популяции чрезвычайно привлекательными как в практическом отношении для биотехнологии, так и в качестве научного объекта для изучения популяционных и эволюционных процессов.

Для математического описания микробных популяций обычно используют аппарат обыкновенных дифференциальных уравнений. В отношении микробиологических систем такое описание гораздо более обосновано, чем применительно к наземным и водным высшим организмам. Из-за многочисленности микробных популяций к ним применимо понятие концентрации. Действительно, даже в лабораторных исследованиях, in vitro приходится иметь дело с количеством особей порядка 1010 и выше. В большом промышленном ферментере могут одновременно жить 1016 – 1017 дрожжевых клеток.

Второй фактор – относительная однородность культуры микроорганизмов в объеме культиватора. Это позволяет пренебречь пространственными эффектами.

Для управления биотехнологическим процессом необходимо:

- сформулировать модель, описывающую рост управляемой культуры микроорганизмов,

- указать параметры, по которым производится управление,

- определить цель, которая при этом преследуется.

Целью может быть максимальная скорость роста культуры, или получение максимальной биомассы в течение всего срока выращивания, или минимизация времени выхода культиватора на стационарный режим работы. В зависимости от этого должна быть математически сформулирована соответствующая целевая функция. Нахождение значений управляющих параметров, которые позволяют достичь экстремума этой целевой функции, и составляют задачу управления/