Дисципліна: Метаболізм мікроорганізмів із основами промислової мікробіології

Обсяг дисципліни, годин (кредитів ЄКТС): 120 (4).

Мета дисципліни: на основі глибоких наукових знань сформувати у студентів систему теоретичних знань про загальні закономірностей організації метаболічних систем про- та еукаріотичних мікроорганізмів; про рівень наукових досягнень у галузі промислової мікробіології, існуючі промислові процеси мікробного синтезу цільових продуктів, технології бродильних виробництв, а також використання мікроорганізмів та продуктів їх життєдіяльності у народному господарстві, необхідних для професійної діяльності в галузі біології.

Завдання дисципліни:

вивчення теоретичних основ промислової мікробіології;
формування у студентів системи знань щодо принципів організації мікробіологічних виробництв;
знайомство студентів із основними мікробіологічними виробництвами:
продуктів метаболізму,
біологічно активних речовин,
окремих компонентів мікробних клітин,
біомаси;
ознайомлення з особливостями вирощування мікроорганізмів і виділення готової продукції у промислових умовах;
вивчення методів пошуку, селекції та підготовки штамів продуцентів біологічно активних речовин;
ознайомлення із принципами організації промислових підприємств та функцій мікробіологів у них;
формування уявлень про контроль, підготовку та вирощування мікроорганізмів, виділення та очищення готових продуктів у промисловості.

Попередні умови для вивчення даної дисципліни: успішне опанування курсів «Біологія», «Біохімія», «Мікробіологія», «Ґрунтова мікробіологія», «Цитологія», «Генетика мікроорганізмів».

Навчальні цілі дисципліни полягають у формуванні у студентів:

інтегративної компетентності:

Здатність розв’язувати складні завдання та проблеми в галузі біології під час здійснення професійної діяльності або у процесі навчання, що передбачає проведення досліджень та/або здійснення інновацій та характеризується невизначеністю умов і вимог.

загальних компетентностей:

ЗК 2. Здатність використовувати інформаційні та комунікаційні технології.

ЗК 3. Здатність генерувати нові ідеї (креативність).

ЗК 4. Здатність діяти на основі етичних міркувань (мотивів).

ЗК 5. Здатність розробляти та керувати проєктами.

ЗК 6. Здатність проведення досліджень на відповідному рівні.

фахових компетентностей:

СК 1. Здатність користуватися новітніми досягненнями біології, необхідними для професійної, дослідницької та/або інноваційної діяльності.

СК 2. Здатність формулювати задачі моделювання, створювати моделі об’єктів і процесів на прикладі різних рівнів організації живого з використанням математичних методів та інформаційних технологій.

СК 3. Здатність користуватися сучасними інформаційними технологіями та аналізувати інформацію в галузі біології і на межі предметних галузей.

СК 5. Здатність планувати і виконувати експериментальні роботи з використанням сучасних методів та обладнання.

СК 10. Здатність використовувати результати наукового пошуку в практичній діяльності.

Додатково:

СК 11. Здатність працювати зі спеціальним лабораторним обладнанням, середовищами, зразками, вимірювальною технікою та здатність до організації і проведення мікробіологічного та імунологічного аналізу в лабораторних умовах.

СК 12. Здатність застосовувати сучасні методи та методологічні підходи для створення мікробіологічного продукту з метою його практичного застосування.

СК 13. Здатність розуміти принципи роботи лабораторного обладнання, володіти прогресивними методами його експлуатації.

СК 14. Поглиблене розуміння структури та функціонування мікроорганізмів та їхньої ролі в біосферних процесах.

СК 18. Здатність визначати та розв’язувати широке коло проблем і задач мікробіологічної галузі шляхом розуміння їх основ та проведення теоретичних і експериментальних досліджень.

Програмні результати навчання:

ПРН 2. Використовувати бібліотеки, інформаційні бази даних, інтернет-ресурси для пошуку необхідної інформації.

ПРН 4. Розв’язувати складні задачі в галузі біології, генерувати та оцінювати ідеї.

ПРН 5. Аналізувати та оцінювати вплив досягнень біології на розвиток суспільства.

ПРН 7. Описувати й аналізувати принципи структурно-функціональної організації, механізмів регуляції та адаптації організмів до впливу різних чинників.

ПРН 9. Планувати наукові дослідження, обирати ефективні методи дослідження та їх матеріальне забезпечення.

ПРН 12. Використовувати інноваційні підходи для розв’язання складних задач біології за невизначених умов і вимог.

Додатково:

ПРН 17. Вміти формувати систему аналізу та інтерпретації нових результатів про структурну організацію, функціонування та формування угруповань мікроорганізмів, спираючись на поглиблені знання з дисциплін професійно-практичної підготовки.

В результаті вивчення дисципліни студент повинен

знати:

принципи організації мікробіологічних технологій;
вимоги до мікроорганізмів, які використовують у промисловості;
методи селекції та конструювання промислових штамів мікроорганізмів;
способи зберігання промислових культур та приготування посівного матеріалу;
принципи підбирання сировини та приготування поживних середовищ для вирощування мікроорганізмів;
способи вирощування мікроорганізмів у промислових умовах та принципи роботи ферментерів;
способи одержання за допомогою мікроорганізмів продуктів харчування;
способи одержання за допомогою мікроорганізмів біологічно активних речовин і препаратів;
способи одержання за допомогою мікроорганізмів лікувальних засобів;
способи одержання за допомогою мікроорганізмів додаткових джерел енергії (біогазу, паливного етанолу);
способи одержання за допомогою мікроорганізмів бактерійних добрив та засобів захисту рослин;
значення мікроорганізмів в очищенні навколишнього середовища та вилуговуванні металів;
принципи роботи очисних споруд із використанням мікроорганізмів і методи контролю їх роботи;
методи виявлення мікроорганізмів для здійснення мікробіологічного контролю на виробництві.

вміти:

у науково-дослідній діяльності:

відтворити та передбачити види сировини для мікроорганізмів певного виробництва;
створити схему приготування посівної культури для певного виробництва;
передбачити способи вирощування та визначити основні параметри росту певної культури мікроорганізмів;
розробити схему селекціонування заданої культури мікроорганізмів;
відтворити схему виробництва заданих вітамінів, каротиноїдів, ліпідів, полісахаридів та органічних кислот за допомогою мікроорганізмів;
відтворити загальну схему виробництва ферментів та ферментних препаратів за допомогою мікроорганізмів;
визначити етапи одержання за допомогою мікроорганізмів заданих антибіотиків медичного і немедичного призначення;
визначити етапи одержання за допомогою мікроорганізмів заданих вакцин, препаратів бактеріофагів та інших лікувальних засобів;
на основі знань про способи одержання біомаси мікроорганізмів та препаратів на їхній основі доповнити перелік препаратів і визначити вимоги до них залежно від подальшої галузі використання;
використовуючи знання про способи одержання за допомогою мікроорганізмів продуктів харчування і напоїв, відтворити схему заданого виробництва;
використовуючи знання про способи одержання за допомогою мікроорганізмів додаткових джерел енергії, визначити перелік і вимоги до сировини та мікроорганізмів;
передбачати раціональні перспективи застосування бактерійних добрив та засобів захисту рослин у конкретних умовах;
визначати найраціональніші прийоми біоочищення навколишнього середовища.

у проєктній діяльності:

розробка і впровадження безпечних технологій, вибір оптимальних умов і режимів для культивування корисних мікроорганізмів, проєктування зразків продуктів на основі сучасних технологічних та наукових досягнень у галузі біології.

у педагогічній діяльності:

розробка методичного забезпечення і проведення навчання та перевірки знань з питань існуючих промислових процесів мікробного синтезу цільових продуктів, технологій бродильних виробництв, а також використання мікроорганізмів та продуктів їх життєдіяльності у народному господарстві.

у консультаційній діяльності:

надання допомоги та консультації працівникам із практичних питань промислової мікробіології.

Зміст дисципліни (тематика):

Змістовий модуль 1. Отримання мікроорганізмів-продуцентів та їх використання

Тема 1. Предмет і значення промислової мікробіології.

Роль вітчизняних і зарубіжних вчених у розвитку промислової мікробіології. Традиційні та сучасні мікробіологічні виробництва. Поняття про мікробний синтез як складову частину біотехнології. Різноманітність продуктів мікробного синтезу, їхнє значення для різних галузей промисловості, медицини, сільського господарства.

Тема 2. Складові частини промислового мікробіологічного процесу.

Загальна схема процесів промислового виробництва за участю мікроорганізмів. Обладнання для культивування мікроорганізмів різних фізіологічних та систематичних груп. Загальна будова ферментерів та їх типи. Сировина та середовища для культивування мікроорганізмів-продуцентів. Підготовка інокуляту. Закономірності росту мікроорганізмів у періодичних та безперервних (хемостат, турбідостат) системах культивування. Математичний розрахунок ростових параметрів бактеріальних культур. Методи стерилізації середовища, інокуляту, обладнання, повітря, комунікацій. Контроль за підтримкою асептичних умов виробництва. Контроль за процесами біосинтезу на різних етапах.

Тема 3. Мікроорганізми-продуценти: загальна характеристика, методи пошуку та селекції.

Загальні закономірності будови і розвитку мікроорганізмів – продуцентів біологічно активних речовин. Характеристика вимог до штамів-продуцентів, методики відбору перспективних мікроорганізмів, особливості зберігання мікроорганізмів-продуцентів. Методи селекції штамів-продуцентів. Фенотиповий штучний добір, субклонування та стабілізація клонів. Штучний хімічний мутагенез. Аналіз та відбір мутантів. Методи хімічного мутагенезу. Використання методів рекомбінатних молекул ДНК, генної та клітинної інженерії у селекції мікроорганізмів.

Тема 4. Мікроорганізми-продуценти: особливості біології та можливості використання у промисловості.

Псевдомонади, азотфіксуючі бактерії, ентеробактерії, види роду Acetobacter та їх використання у промисловому виробництві амінокислот, білка, ферментів та ферментних препаратів, органічних кислот, бактеріальних препаратів та ін. Використання метанобактерій та бацил – продуцентів біологічно активних речовин. Збудники ацетон-бутилового й маслянокислого бродінь та їх застосування у промисловості. Актинобактерії: особливості біології та використання їх як продуцентів амінокислот, білка, ферментів і ферментних препаратів, вітамінів, антибіотиків. Мікроміцети, що використовуються у мікробіологічному виробництві.

Тема 5. Мікробний синтез низькомолекулярних сполук.

Характеристика технологічних схем синтезу різних амінокислот (лізин, триптофан, глютамінова та аспарагінова кислоти). Шляхи використання амінокислот мікробного походження у медицині та промисловості. Загальна технологічна схема отримання органічних кислот шляхом мікробного синтезу. Особливості синтезу лимонної кислоти, ітаконової, фумарової, глюконової кислот. Використання органічних кислот у промисловості. Особливості біосинтезу каротину, вітамінів групи В: застосування стимуляторів, джерела сировини. Використання вітамінних препаратів у медицині та різних галузях народного господарства. Загальні принципи мікробного синтезу речовин спеціалізованого обміну та гормонів за допомогою мікроорганізмів.

Змістовий модуль 2. Використання мікроорганізмів у різних промислових біовиробництвах

Тема 6. Технології, в яких використовується спиртове бродіння.

Дріжджі: особливості біології, розповсюдження у природі. Дріжджі дикі і культурні. Харчові і кормові дріжджі, способи їх одержання. Хлібопекарські дріжджі: технологія їх виробництва, шкідники, мікрофлора пшеничного та житнього хліба. Використання дріжджів при виробництві спирту, пива, вина. Технологічні схеми виробництва пива, спирту та виноматеріалів.

Тема 7. Технології, в яких використовується молочнокисле бродіння.

Морфологія та культуральні властивості молочнокислих бактерій, їх класифікація і розповсюдження, гомо- та гетероферментативні молочнокислі бактерії. Взаємовідносини молочнокислих бактерій із іншими мікроорганізмами. Використання молочнокислих бактерій у хлібопеченні, у молочній промисловості. Технологічні схеми виготовлення молочнокислої продукції – сиру, сметани, масла, йогуртів тощо. Використання молочнокислих бактерій при силосуванні кормів. Мікрофлора силосу. Біологічне консервування овочів і фруктів. Квашення капусти. Соління огірків, маслин та інших рослинних продуктів. Використання молочнокислих бактерій у м`ясній та рибній промисловості.

Тема 8. Біосинтез ферментів мікроорганізмами.

Ферменти: характеристика активності ферментних препаратів, номенклатура ферментних препаратів. Джерела одержання ферментних препаратів: рослини, органи та тканини тварин, мікроорганізмами. Ендо- і екзоферменти бактеріальної клітини та мікроміцетів. Різноманітність ферментних препаратів мікробного походження. Промислове одержання ферментів: типи ферментації, сировина та склад культурального середовища. Способи стабілізації та імобілізації ферментів. Одержання амілолітичних ферментних препаратів – бактеріальних та грибних амілаз. Умови ферментації для одержання глюкоамілаз грибного походження. Технології одержання протеаз, пектиназ. Технології одержання ліполітичних ферментів за участю мікроорганізмів різних систематичних груп.

Тема 9. Використання ферментних препаратів у промисловості.

Використання ферментних препаратів у народному господарстві. Харчова промисловість: хлібопечення, кондитерське виробництво, первинне виноробство, спиртове виробництво, виробництво пива, соків, приготування консервованих пюре, супів, сушених овочів, м’ясопереробна промисловість, рибна промисловість, молочна промисловість. Застосування ферментних препаратів у сільському господарстві. Використання ферментних препаратів у легкій промисловості: обробка шкіри, хутрове виробництво, текстильна промисловість. Ферментні препарати у медичній промисловості та медицині.

Тема 10. Мікроорганізми у виробництві інсектицидів, бактеріальних добрив, вилуджуванні металів із руд.

Мікробіологічні методи боротьби зі шкідниками та хворобами сільськогосподарських культур. Інсектициди мікробного походження. Технології отримання бактеріальних та грибних біопрепаратів. Сучасні бактеріальні добрива: технології виробництва, особливості застосування. Біогеотехнологія. Мікроорганізми, що використовуються у вилуджуванні металів із бідних руд. Особливості технології вилуджування руд – чанове, купчасте, підземне.

Види робіт: лекції, практичні, самостійна робота.

Форма підсумкового контролю: залік.