КОМП’ЮТЕРНЕ ТА МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В БІОТЕХНОЛОГІЯХ ТА БІОІНЖЕНЕРІЇ: ОСВІТНІЙ АСПЕКТ

Анотація

У роботі ми аналізуємо значення математичного й комп’ютерного моделювання для підготовки фахівців за спеціальністю біотехнології та біоінженерія. Біотехнологічні процеси вимагають від фахівців як фундаментальних знань з хімії, біології, та фізики, також уміння застосовувати сучасні цифрові інструменти, які дають змогу контролювати перебіг біохімічних реакцій. Комп’ютерне моделювання поглиблює розуміння біотехнологічних процесів, які лежать в основі синтезу цільових продуктів, зокрема амінокислот, ферментів, антибіотиків. Публікація демонструє базові математичні моделі, які описують ці процеси. Велика увага в галузі біотехнології приділяється моделям розвитку популяцій мікроорганізм. Такі моделі дають змогу оцінювати ефективність антибактеріальних препаратів, планувати стратегії вакцинації або запобігання епідеміям. Ми наводимо практичні приклади застосування моделі Мальтуса, моделі логістичного зростання Ферхюльста, моделі Гомперца, модель Лотки – Вольтерри для взаємодії популяцій, рівняння Моно, що описує ріст мікроорганізмів залежно від концентрації субстрату, а також модель Міхаеліса – Ментен для опису ферментативної кінетики. Окрему увагу приділено математичному моделюванню біосинтезу продуктів у ферментерах – замкнених біореакторах, які широко застосовують у сучасних біотехнологічних виробництвах. Ми демонструємо реалізацію математичних моделей за допомогою систем комп’ютерної математики Mathcad та мови програмування Python. Усі практичні приклади мають графічну демонстрацію перебігу біотехнологічних реакцій. Проведено аналіз отриманих результатів комп’ютерного моделювання, зроблено висновки доцільності застосування моделей у біотехнологічних процесах. Упровадження в навчальний процес математичного та комп’ютерного моделювання сприяє розвитку критичного мислення, значно підвищує рівень цифрової компетентності майбутніх фахівців і розвиває навички ухвалення технологічних рішень. Синтез теоретичного матеріалу з виконанням практичних завдань підтверджує ефективність міждисциплінарного підходу в підготовці фахівців з біотехнологій.