Московский Государственный Университет Инженерной Экологии Кафедра "Экологическая и промышленная биотехнология" "Математическое моделирование биосинтеза продуктов метаболизма" Реферат на сдачу экзамена по кандидатскому минимуму по специальности : 03.00.23 - Биотехнология. Аспирант: Осипов Д.С. Зав. каф.: д.т.н., проф. Бирюков В.В. Москва - 2002 Введение.
    МЕТАБОЛИЗМ - греческое слово metabole, означающее перемена, превращение.
    В физиологическом смысле метаболизм - это промежуточный обмен, т. е. превращение определенных веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (напр., метаболизм белков, метаболизм глюкозы, метаболизм лекарственных препаратов).
    С точки зрения промышленной биотехнологии метаболизм - это образование в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов - некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). С помощью метаболизма получают антибиотики, молочную и лимонную кислоту, пищевые консерванты и многие другие продукты.
    В естественных условиях метаболизм настроен так, чтобы производить минимальное количество необходимых метаболитов. Промышленное производство, направленное на получение максимальной прибыли, такая ситуация никак не устраивает. Поэтому, для максимизации прибыли необходимо произвести оптимизацию следующих технологических параметров:
    - выхода продукта в расчете на потребленный субстрат; - концентрация продукта; - скорость образования продукта.
    Оптимизация технологии биосинтеза метаболитов состоит из следующих основных этапов [5]:
    1) Первоначальная селекция штамма микроорганизмов;
    2) Определение оптимальных значений температуры, рН, тоничности и потребности в кислороде;
    3) Определение оптимального режима питания и накопления биомассы;
    4) Изменение генетической структуры организма для увеличения образования продукта.
    Разработка 3-его этапа, непосредственно связана с биосинтезом. Для нахождения режима питания и накопления биомассы, оптимального для биосинтеза метаболитов необходимо математическое описание процесса [1,2,3,4]. Кроме нахождения оптимальных условий проведения процесса, математическая модель используется для автоматизации биосинтеза, что в современной биотехнологической промышленности не менее важно.
    Прежде чем приступить, к описанию моделей приведем принятые обозначения основных количественных характеристик процесса биосинтеза. Кинетические характеристики процесса биосинтеза.
    Обычно состояние процесса определяется следующими основными параметрами:
    - концентрация биомассы микроорганизмов - Х, г/л;
    - концентрация питательной среды - субстрата (или его основного компонента) - S, г/л. - концентрация продукта - P, г/л.
    Кинетические характеристики процесса отражают скорость протекания биохимических превращений. Эти превращения, естественно, отражаются на всех указанных выше параметрах процесса - биомассе, продукте и субстрате.
    Важным показателем процесса является скорость роста биомассы. Для описания скорости роста используется такая характеристика, как общая скорость роста - QX:
     (1).
    Больший интерес для характеристики интенсивности роста представляет не величина QX, а удельная скорость роста в пересчете на единицу биомассы (ведь рост биомассы пропорционален концентрации клеток). ............