Моделирование и оптимизация процесса культивирования бактерий в биореакторах

• Автор: Скичко, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 225 с.

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Микробиологические процессы в промышленности и экологии

1.1.1. Общая характеристика микробиологических процессов

1.1.2. Промышленная значимость коринеформных бактерий и, в частности, культуры ii.

1.2. Биологическая характеристика исследуемых микроорганизмов

1.2.1. Культура ii.

1.2.2. Культура .

1.3. Экспериментальные исследования поведения культур

ii и в непрерывных, периодических условиях и режиме голодания.

1.4. Модели роста бактерий в биореакторах

1.4.1. Удельная скорость роста популяции
1.4.2. Ферментативная кинетика
1.4.3. Структурированные модели.
1.4.4. Возрастные модели
1.4.5. Моделирование с точки зрения взаимодействия популяций .
Постановка задач исследований
Глава 2. Разработка математической модели роста бактерий.
2.1. Описание процесса роста клеточной популяции.
2.1.1. Разработка схемы процесса роста клетки.
2.1.2. Запись материальных балансов для компонентов системы .
2.1.3. Вывод потока массы субстрата из фазы 1 в стфазу
2.1.4. Вывод уравнения изменения концентрации свободного внутриклеточного субстрата и исключение его из модели
2.1.5. Вывод потока массы интермедиатов из сфазы в фазу II
и уравнения изменения концентрации интермедиатов
2.1.6. Уравнения изменения концентраций макромолекул в клетке. Массовые балансы компонентов фазы 1
2.2. Описание процесса саморегуляции численности клеточной по
пуляции .
2.3. Описание уравнений и параметров математической модели рос
та бактерий
Выводы по главе 2.
Глава 3. Применение разработанной математической модели для описания процесса роста культуры ЛпНгоЬасег 1оЫогт
3.1. Исследование математической модели при условии, что кон
центрация интермедиатов в клетке меньше Сцкр.
3.1.1. Решение стационарной задачи для случая, когда концентрация интермедиатов в клетке меньше Сцкр
3.1.2. Исследование стационарного режима роста культуры
А. ii в непрерывных условиях
3.2. Описание колебательного режима в непрерывной культуре
А. 1оЫогт1 при Г 0, ч1
3.2.1. Описание колебаний с помощью процесса ингибирования транспорта субстрата механизм а.
3.2.2. Описание колебаний с помошыо процесса инактивации клеток механизм б.
3.2.3. Описание колебаний с помощью совмещения процессов ингибирования транспорта субстрата и инактивации клеток механизм в.
3.3. Описание роста культуры А. ii в периодических усло
виях .
3.4. Описание поведения культуры . ii в режиме голодания
Выводы по главе 3.
Глава 4. Применение разработанной математической модели для описания процесса роста культуры
Выводы по главе 4
Глава 5. Термодинамический анализ процесса культивирования бактерий
5.1. Термодинамический анализ процесса культивирования бакте
рий на основе построенной математической модели
5.2. Результата термодинамического анализа
Выводы по главе 5.
Глава 6. Оптимизация процесса роста культуры . ii.
Выводы по главе 6
Выводы по работе
Список литературы


Ьогт1Ь могут использоваться в ряде отраслей промышленности для получения порфиринов сложных органических соединений, используемых в диагностике различных форм рака, при проведении иммуноанализа, в качестве красителей в пищевой промышленности, в качестве катализаторов окислительновосстановительных реакций для процессов трансформации стероидных гормонов для биотрансформации евгенола в производстве ванилина при диаг ностике нарушения галактозного обмена, вызывающего появление катаракты хрусталика в гидрометаллургии при переработке океанических тврдых полезных ископаемых, для обогащения бедных полиметаллических руд, получения химически чистых металлов марганца, железа, кобальта, никеля . Кроме этого, различные метаболиты, получаемые из клеток А. Ыогт1я, находят широкое применение уриказа как компонент косметических составов для окраски волос , , холиноксидаза как компонент реактива для определения ионов кальция в крови , экстракт продуктов гидролиза клеточных стенок как компонент противовоспалительного средства для лечения кожных заболеваний и пр. Приведнные примеры доказывают уникальную значимость артробактерий для промышленности, экологии, медицины и пр. Ниже приведены биологическая характеристика культуры А. Ыоптн и результаты экспериментальных исследований по культивированию артробактера в лабораторных условиях. Попутно рассматриваются характеристики и результаты экспериментальных исследований для культуры Р. Артробактер обитает в пресной и морской воде, в подземных водах, в горных источниках, в сточных водах, активном иле, озрных отложениях, торфе. Его обнаруживают среди организмов, разрушающих деревянные, каменные конструкции выделяют с поверхностных покровов и из пищеводного факта некоторых беспозвоночных, насекомых, моллюсков, крабов находят в помте и на скорлупе яиц, в поражнных кариесом зубах человека . Артробактер обнаружен в вечномрзлых отложениях Арктики , . Почвы земного тара очень богаты артробактером. Эти микроорганизмы составляют в песчаных почвах, в глинистых почвах , . При выращивании в периодических условиях форма клеток Л. Ыотт претерпевает изменения кокк папочка кокк. В лагфазе кокковидные клетки увеличиваются в размерах. В период, предшествующий активному делению, происходит ослабление стенок, их выпячивание, искривление, обусловленное запаздыванием синтеза компонентов клеточной стенки по сравнению с синтезом компонентов цитоплазмы. Далее происходит превращение кокков в палочки путм прорастания с помощью одной, двух ростовых трубок. Образование кокков осуществляется путм одновременного формирования поперечных перегородок в длинных нитевидных клетках. В хемостате при выращивании на среде, лимитированной источником углерода, морфология клеток артробактера также может быть различной в зависимости от температуры и скорости разбавления О. Палочки в непрерывной культуре появляются при высоких Д что соответствует экспоненциальной фазе в периодической культуре см. Таблица 1. Изменение формы клеток А. Морфологическая трансформация клеток артробактера сопровождается изменением способности окрашивания по Г раму кокки положительно окрашены, папочки отрицательно. Грамвариабельность артробактера обусловлена изменением толщины клеточной стенки в процессе морфогенеза . При неблагсприятных условиях культивирования, низких , дефиците углеводов, недостаточной аэрации появляются лимоноподобные клетки, называемые циститами или аргроспорами , , . Циститы являются искаженными морфологическими формами со слабыми клеточными стенками, возникающими в условиях питательного стресса как результат несбалансированных синтетических процессов, протекающих в клетке. А. 1оЫогт1 усваивает углеводы, спирты, моно, ди, трикарбоновые кислоты, лигнин, пектины, ароматические углеводороды бензол, фенол и др. А. фЫоптн расщепляет акридиновый оранжевый , хлорпроизводные фенола, бензойной кислоты, полициклических углеводородов . А. оЫогти является деструктором компонентов сточных вод производства фенола фенола, ацетофенона, диметилфенил карбинола, бензоата и др. А. 1оЫт слабо усваивает алифатические углеводороды СбгСс, дизельное топливо, олефины, этиловый спирт . Из источников азота штаммы АггоЬасег предпочитают аммонийные соли и органические соединения азота. А. к1оЫогпт лучше всего растт в присутствии биотина. У штаммов АмгоЬаШг, выделенных из почвы горных пород, отмечена способность фиксировать атмосферный азот . Превращение глюкозы у АНгоЬаМег сопровождается явлением диауксического роста 3, 5, и аккумуляцией резервных веществ 5, .