Исследование кинетики роста микробных популяций с использованием ЭВМ

Основными элементами любой микробиологической модели являются субстраты и микроорганизмы, участвующие в процессе, а также стадии превращения этих субстратов в продукты.

Основные типы биологических процессов:

а) производство биомассы (например, белок одноклеточных);

б) производство клеточных компонентов (ферменты, нуклеиновые кислоты и др.);

в) производство метаболитов (химические продукты метаболической активности), включая первичные метаболиты (этанол, молочная кислота и др.) и вторичные метаболиты (например, антибиотики);

г) односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фруктозу) и многосубстратные конверсии (обработка сточных вод).

Основные свойствабиопроцессов:

1. способность к росту, высокая скорость роста и образование целевого продукта;

2. стабильность продуцента в отношении производственных свойств, минимальное образование побочных продуктов;

3. безвредность для людей и животных;

4. устойчивость к инфекциям и фагоустойчивость.

Математические модели микробиологической кинетики представляют собой математические описания, дающие возможность получить зависимость скорости микробиологических превращений субстратов, а также скорости роста биомассы от концентраций субстратов и клеток.

Любая постановка задачи по динамике роста и развития микробных популяций начинается с формулировки гипотез исследователя и построения кинетической схемы изучаемого процесса.

При этом исследователь конкретизирует конечные продукты, начальные субстраты, а также ферменты и другие внутриклеточные регуляторы, влияющие на кинетику микробного синтеза.

Затем записываются уравнения, представляющие собой математическую модель процесса. Центральным моментом построения уравнений динамики является выделение ключевых реакций, скорость которых ограничивает интенсивность накопления целевого продукта.

При построении модели необходимо учитывать различные ограничивающие факторы и требования. Например, при реакциях в закрытой системе к кинетическим характеристикам добавляются требования:

1. общая масса системы не меняется (закон сохранения массы);

2. отрицательные концентрации не могут существовать;

3. скорость реакции является непрерывной функцией концентраций реагентов.

Математически это означает, что функция изменения концентрации во времени не должна иметь разрывов.

Таким образом, исследователь при решении каждой конкретной задачи по управляемому биосинтезу популяций микроорганизмов проходит следующие этапы: