Слайд 2Важное значение имеют макростехиометрические характеристики биотехнологического процесса.
Они выражают взаимосвязь между приростом биомассы,
![Важное значение имеют макростехиометрические характеристики биотехнологического процесса. Они выражают взаимосвязь между приростом](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-1.jpg)
продукта и расходованием субстрата.
Слайд 3выход по субстрату, или экономический коэффициент (или коэффициент выхода).
определяют, сравнивая количество
![выход по субстрату, или экономический коэффициент (или коэффициент выхода). определяют, сравнивая количество](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-2.jpg)
выросшей за весь цикл ферментации биомассы Хк к количеству загруженного субстрата So :
Yxs=Xк/S0
Слайд 4Выход по продукту метаболизма:
Yps=Рк/S0
Различия в обозначении коэффициентов делают с помощью
![Выход по продукту метаболизма: Yps=Рк/S0 Различия в обозначении коэффициентов делают с помощью](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-3.jpg)
индексов: по биомассе обозначают как Yxs , по продукту — как Yps.
Слайд 5
дополнения
коэффициент Yxs определен не совсем точно. В начале процесса уже
![дополнения коэффициент Yxs определен не совсем точно. В начале процесса уже существует](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-4.jpg)
существует некоторое количество биомассы, определяемое ее концентрацией X0, так что прирост ее за время ферментации меньше, чем Хк, и равен (Хк - X0).
В то же время не весь субстрат до конца расходуется за время процесса; какая-то часть его, определяемая конечной концентрацией SK, останется, так что потребление субстрата будет не «So,
a (So - SK).
Слайд 6Экономические коэффициенты:
Yxs = (Xk – X0)/ (S0 – Sk) = ΔX/ΔS
[г.
![Экономические коэффициенты: Yxs = (Xk – X0)/ (S0 – Sk) = ΔX/ΔS](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-5.jpg)
биомассы/ г. субстрата]
Аналогичным образом для продукта метаболизма:
Yps = (Pk – P0)/ (S0 – Sk ) = ΔP/ΔS
[г.продукта/ г. субстрата]
Слайд 7Метаболические, или трофические, коэффициенты:
Ysx = 1/Yxs = (S0 – Sk)/ (Xk –
![Метаболические, или трофические, коэффициенты: Ysx = 1/Yxs = (S0 – Sk)/ (Xk](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-6.jpg)
X0) = ΔS/ΔX
[г. субстрата/ г. биомассы]
Ysp = 1/Yps = (S0 – Sk)/ (Pk – P0) = ΔS/ΔP
[г. субстрата/ г. продукта]
Слайд 8 В пределе можно рассматривать промежуток ∆t сколь угодно малым — вплоть
![В пределе можно рассматривать промежуток ∆t сколь угодно малым — вплоть до](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-7.jpg)
до бесконечно малого dt, и ему будут соответствовать сколь угодно малые приросты dX, dP и dS.
Так же можно получить мгновенные текущие коэффициенты (относительные стехиометрические коэффициенты):
Yxs = dX/dS; Yps = dP/dS;
Ysx = dS/dX; Ysp = dS/dP, а также относительных - Ypx = dP/dX; Yxp = dX/dP
Слайд 9Стехиометрия процессов культивирования
микроорганизмов
![Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-8.jpg)
Слайд 10Основные принципы
стехиометрии
Экономический, метаболический коэффициенты выхода продукта по субстрату и биомассе
![Основные принципы стехиометрии Экономический, метаболический коэффициенты выхода продукта по субстрату и биомассе](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-9.jpg)
— это в простейшем виде стехиометрические коэффициенты.
Они нужны для того, чтобы по одной из известных величин (например, ∆S), рассчитать и другие характеристики процесса (например, ∆Х, ∆Р).
Слайд 11
Если в результате взаимодействия реагентов А и В получаются продукты С
![Если в результате взаимодействия реагентов А и В получаются продукты С и](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-10.jpg)
и D и выделяется тепло ∆Н,
с помощью стехиометрических коэффициентов ʋA, ʋB, ʋc, ʋD и ʋn получится стехиометрическое уравнение:
ʋAA + ʋBB = ʋcC + ʋD D + ʋnΔH
Слайд 12 Стехиометрические коэффициенты подбирают таким образом, чтобы выразить фундаментальный закон природы —
![Стехиометрические коэффициенты подбирают таким образом, чтобы выразить фундаментальный закон природы — закон](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-11.jpg)
закон сохранения материи.
Количество атомов любого элемента, входящего в вещества А, В, С и D, не должно изменяться в процессе превращения веществ.
Слайд 13В биологии также действует закон сохранения материи.
В ходе биологических превращений
![В биологии также действует закон сохранения материи. В ходе биологических превращений в](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-12.jpg)
в клетке перегруппировываются атомы углерода, азота, фосфора, водорода, кислорода и других жизненно важных химических элементов.
Но общее количество каждого из этих элементов, включенное в структуры клетки, в точности равно количеству, взятому клеткой из питательной среды.
Слайд 14 Процесс ферментации можно представить как систему, в которой происходит преобразование исходных
![Процесс ферментации можно представить как систему, в которой происходит преобразование исходных реагентов](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-13.jpg)
реагентов (субстратов) в продукты (клетки и продукты метаболизма).
В аэробных процессах в число субстратов входит кислород О2, а в число продуктов — диоксид углерода СО2.
Другие субстраты и продукты в разных процессах различные, но стехиометрические соотношения между ними должны соблюдаться.
Слайд 15по аналогии со стехиометрией в микробиологическом процессе
ʋc [углеродный субстрат] +
+ʋN [азотный
![по аналогии со стехиометрией в микробиологическом процессе ʋc [углеродный субстрат] + +ʋN](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-14.jpg)
субстрат] +
+ʋф [фосфорный субстрат] +
+ ʋО [О2] +.... = ʋх[биомасса] +
+ ʋр[продукт метаболизма] +
+ ʋcо2 [СО2] + ʋн2о[H2O] +... + ʋнΔН
Слайд 16ВЫВОД «ФОРМУЛЫ» БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ
биомасса, состоящая из множества индивидуальных веществ — белков,
![ВЫВОД «ФОРМУЛЫ» БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ биомасса, состоящая из множества индивидуальных веществ — белков,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-15.jpg)
нуклеиновых кислот, липидов и так далее, многие из которых даже не идентифицированы.
Все эти вещества записывают целой совокупностью, «связкой».
Слайд 17 какой-то существующей в природе истинной «формулы» биомассы нет.
нужен фиктивный, эмпирический
![какой-то существующей в природе истинной «формулы» биомассы нет. нужен фиктивный, эмпирический вид](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-16.jpg)
вид «формулы» биомассы
За основу принят элементный состав биомассы (высушенной).
Слайд 18элементный состав микроорганизмов
![элементный состав микроорганизмов](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-17.jpg)
Слайд 19Как теперь из этого элементного состава получить «формулу» биомассы?
Если принять сухую
![Как теперь из этого элементного состава получить «формулу» биомассы? Если принять сухую](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-18.jpg)
массу биомассы равной 100 г, то состав, выраженный в таблице в процентах, будет отражать массу соответствующего элемента в граммах.
Разделив эту массу на атомную массу соответствующего элемента, получаем количество грамм-атомов в 100 г сухой биомассы.
Слайд 20Расчет числа грамм-атомов элементов в 100 г сухой биомассы
тип м/о С Н
![Расчет числа грамм-атомов элементов в 100 г сухой биомассы тип м/о С](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-19.jpg)
О N P S
12 1 16 14 31 32
Дрожжи 3,92 6,5 1,88 0,54 0,05 0,03
Бактерии 4,42 7,0 1,25 0,86 0,1 0,03
«Усред-
ненный» 4,17 8,0 1,25 1,0 0,1 0,03
Слайд 21 в первом приближении «формулу» дрожжей можно записать как
С3,92Н6,5О1,88N0,54P0,05S0,03
бактерий —
![в первом приближении «формулу» дрожжей можно записать как С3,92Н6,5О1,88N0,54P0,05S0,03 бактерий — С4,42Н7О1,25N0,86P0,1S0,03 «усредненной» биомассы — С4,17Н8О1,25N1P0,1S0,03](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-20.jpg)
С4,42Н7О1,25N0,86P0,1S0,03
«усредненной» биомассы — С4,17Н8О1,25N1P0,1S0,03
Слайд 22чтобы придать видимость правдоподобия «формуле», ее умножают на какое-то очень большое число,
![чтобы придать видимость правдоподобия «формуле», ее умножают на какое-то очень большое число,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-21.jpg)
чтобы все коэффициенты оказались целыми числами.
Самое простое в данном случае — умножить на 100
Слайд 23 в стехиометрических расчетах обычно пренебрегают элементами, составляющими малую часть состава биомассы.
![в стехиометрических расчетах обычно пренебрегают элементами, составляющими малую часть состава биомассы. В](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-22.jpg)
В «формуле» отбрасывают фосфор и серу, а иногда и азот.
Слайд 24 в стехиометрическом уравнении все члены можно умножить или разделить на одно
![в стехиометрическом уравнении все члены можно умножить или разделить на одно и](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-23.jpg)
и то же число.
без ущерба для расчетов можно произвольно «принять» «молекулярную массу» для биомассы какой угодно с последующим пересчетом всех стехиометрических коэффициентов в уравнении.
Слайд 25Удобно принимать такую «молекулярную массу», чтобы в ней оказался только один атом
![Удобно принимать такую «молекулярную массу», чтобы в ней оказался только один атом](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-24.jpg)
(грамм-атом) углерода.
Для этого в ранее вычисленных «формулах» биомассы достаточно все индексы при атомах разделить на индекс при атоме углерода.
Такой условный моль, приведенный к одному атому углерода, называют С-моль.
Слайд 26 дрожжи — CH1,66O0,48N 0,14,
бактерии — CH1,58O0,28N0,19;
«усредненная» биомасса — CH1,92O0,30N0,24;
![дрожжи — CH1,66O0,48N 0,14, бактерии — CH1,58O0,28N0,19; «усредненная» биомасса — CH1,92O0,30N0,24;](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-25.jpg)
Слайд 27для «усредненной» биомассы используется формула, предложенная Стоутхамером для С-моля:
CH1,8O0,5N0,2
Из-за простоты эту формулу
![для «усредненной» биомассы используется формула, предложенная Стоутхамером для С-моля: CH1,8O0,5N0,2 Из-за простоты](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-26.jpg)
применяют в расчетах.
Слайд 28Рассчет «молекулярной массы»
С-моля:
М= 1·12 + 1,8·1 + 0,5·16 + 0,2·14 =
![Рассчет «молекулярной массы» С-моля: М= 1·12 + 1,8·1 + 0,5·16 + 0,2·14](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-27.jpg)
24,6
по брутто-формуле биомассы, проводят стехиометрические расчеты, как в химических уравнениях.
Слайд 29 РАСЧЕТ ВЫХОДА БИОМАССЫ НА УГЛЕРОДНЫЙ СУБСТРАТ
наибольший интерес с учетом
![РАСЧЕТ ВЫХОДА БИОМАССЫ НА УГЛЕРОДНЫЙ СУБСТРАТ наибольший интерес с учетом выхода составляет](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-28.jpg)
выхода составляет самый дорогой субстрат — углеродный.
в качестве углеродного субстрата могут использоваться разные вещества: глюкоза, крахмал, этанол, метанол, парафины нефти, метан и другие.
Слайд 30Эти вещества можно также пересчитать на С-моль (т.е. оставить в молекуле только
![Эти вещества можно также пересчитать на С-моль (т.е. оставить в молекуле только](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-29.jpg)
один атом углерода).
Например, для глюкозы с формулой C6H12O6 С-моль будет иметь формулу СН2О,
для крахмала с формулой (С6Н12О6) - вид С-моля не изменится.
Слайд 31разные субстраты дают различный стехиометрический выход по биомассе.
фактически измеренные данные выхода биомассы
![разные субстраты дают различный стехиометрический выход по биомассе. фактически измеренные данные выхода](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-30.jpg)
отличаются от теоретически рассчитанных: максимальный выход — на парафинах, минимальный — на углеводах.
фактический выход «не дотягивает» до стехиометрического.
Слайд 32 Чтобы объяснить эти расхождения, ввели понятие «энергетический выход» биомассы.
- в
![Чтобы объяснить эти расхождения, ввели понятие «энергетический выход» биомассы. - в каждом](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-31.jpg)
каждом субстрате заключена энергия, которая зависит от степени восстановленности субстрата γs, которую легко определить, если известна формула вещества.
При этом, как и в биомассе, учитывают основные элементы — углерод, водород, кислород и азот.
Обобщенная формула субстрата —
СmНnOpNq
Слайд 33 Степень восстановленности зависит от числа так называемых «доступных электронов», или «редоксонов».
![Степень восстановленности зависит от числа так называемых «доступных электронов», или «редоксонов». Принимают,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-32.jpg)
Принимают, что один атом углерода имеет 4 доступных электрона, один атом водорода - 1 доступный электрон.
Кислород доступных электронов не имеет, а наоборот, как бы забирает на себя 2 электрона, т.е. имеет отрицательное число (-2) доступных электронов.
То же и с азотом, который забирает 3 (-3) доступных электрона.
Слайд 34степень восстановленности субстрата CmHnOpNq рассчитывают по формуле:
γs = 4m + n -
![степень восстановленности субстрата CmHnOpNq рассчитывают по формуле: γs = 4m + n - 2р - 3q](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-33.jpg)
2р - 3q
Слайд 35Оценка биомассы по степени восстановленности (обозначение γх)
Биомасса (CHl,8O0,5N0,2):
γX =4 х 1 +
![Оценка биомассы по степени восстановленности (обозначение γх) Биомасса (CHl,8O0,5N0,2): γX =4 х](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-34.jpg)
1,8 – 2 х 0,5 – 3 х 0,2 = 4,2.
для диоксида углерода СО2, воды Н2О и аммиака NH3 степень восстановленности γs = 0.
Слайд 36 В.К. Ерошиным введено понятие энергетический выход биомассы, представляющий собой отношение энергии
![В.К. Ерошиным введено понятие энергетический выход биомассы, представляющий собой отношение энергии в](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-35.jpg)
в субстрате к энергии, заключенной в биомассе:
η = γs/ γx
Величина η показывает, какое количество С-молей биомассы можно получить из одного С-моля субстрата исходя из соотношения энергий.
Слайд 37метан η = 8,0/4,2 = 1,9 С-моль биомассы/C-моль субстрата;
гексан η = 6,3/4,2
![метан η = 8,0/4,2 = 1,9 С-моль биомассы/C-моль субстрата; гексан η =](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-36.jpg)
= 1,5
метанол η = 6,0/4,2 = 1,43;
глюкоза η = 4,0/4,2 = 0,95;
этанол η = 6,0/4,2 = 1,43;
н-алканы η = 6,0/4,2 = 1,43;
щавелевая кислота η = 1,0/4,2 = 0,24
Слайд 38 В формуле для η выход выражен в С-молях биомассы на С-моль
![В формуле для η выход выражен в С-молях биомассы на С-моль субстрата.](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-37.jpg)
субстрата. От него можно перейти и к обычному массовому выходу:
YXS = η Mx/Ms
где Мх и Ms — молекулярные массы С-молей биомассы и субстрата соответственно.
Слайд 39
метан YXS = 1,9 х 24,6/16 = 2,92 г биомассы/ г субстрата;
![метан YXS = 1,9 х 24,6/16 = 2,92 г биомассы/ г субстрата;](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-38.jpg)
гексан YXS = 1,5 х 24,6/14,3 = 1,72
метанол YXS = 1,43 х 24,6/32 = 1,1
глюкоза YXS = 0,95 х 24,6/30 = 0,78
этанол YXS = 1,43 х 24,6/23 = 1,53 г
н-алканы YXS = 1,43 х 24,6/14 = 2,51
Слайд 40для глюкозы энергетический выход биомассы дает значения чуть ниже стехиометрического (0,78 против
![для глюкозы энергетический выход биомассы дает значения чуть ниже стехиометрического (0,78 против](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-39.jpg)
0,82), но при этом отличие от фактического (0,5) все еще велико.
Получается, что биомассы может быть даже больше, чем по стехио-метрическим расчетам, а это противоречит здравому смыслу.
Ведь из одного атома углерода не может получиться два, как это предсказывает, например, энергетический выход по метану.
Слайд 41ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ СООТНОШЕНИЙ В РЕАЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ ФЕРМЕНТАЦИИ
исходные предпосылки «энергетической» теории материального
![ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ СООТНОШЕНИЙ В РЕАЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ ФЕРМЕНТАЦИИ исходные предпосылки «энергетической» теории материального](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-40.jpg)
баланса неверны.
Они не учитывают того, что в клетке одновременно протекают как бы два процесса.
1. Катаболизм.
2. Анаболизм.
Слайд 42общее стехиометрическое соотношение для объединенного процесса:
ʋs S + ʋo2 [02] + ʋN
![общее стехиометрическое соотношение для объединенного процесса: ʋs S + ʋo2 [02] +](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-41.jpg)
[NH3] → X + ʋp [P] + + ʋco2 [CO2] + ʋH2O[H2O]
биомасса выражена в С-молях, а субстрат — в обычных молях.
Слайд 43
Необходимо знать, количество израсходованного субстрата (в реальных мерах — граммы, килограммы и
![Необходимо знать, количество израсходованного субстрата (в реальных мерах — граммы, килограммы и](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-42.jpg)
т. д.) и количество образовавшейся биомассы микроорганизмов или продукта метаболизма — соответственно Gs, Gx и GP (в пересчете на весь аппарат) или для периодического процесса приращения их концентраций — соответственно ∆S, ∆Х и ∆Р.
Слайд 44 Разделив эти величины на молекулярные массы соответственно субстрата, биомассы или продукта,
![Разделив эти величины на молекулярные массы соответственно субстрата, биомассы или продукта, получаем](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-43.jpg)
получаем для этих веществ количества г молей (или кг • молей), которые и являются основой для последующих стехиометрических расчетов.
Слайд 45 Первый из этих расчетов — приведение всех количеств к одному С-молю
![Первый из этих расчетов — приведение всех количеств к одному С-молю биомассы.](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-44.jpg)
биомассы.
обычно находят такие стехиометрические коэффициенты, которые дают стехиометрический коэффициент при биомассе, выраженной в С-молях, равным 1,
ʋs S + ʋo2 [02] + ʋN [NH3] → X + ʋp [P] + + ʋco2 [CO2] + ʋH2O[H2O]
Слайд 46Таким образом сразу находим ʋs и ʋР.
Для определения коэффициентов по другим
![Таким образом сразу находим ʋs и ʋР. Для определения коэффициентов по другим](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-45.jpg)
веществам (О2, СО2, NH3 и Н2О) необходимо составить и решить систему уравнений элементного баланса
каждое вещество (субстрат, биомасса, продукт, вода, кислород, диоксид углерода) может быть описано общей элементной формулой CmHnOpNq.
Слайд 47 При этом индексы в формуле субстрата обозначим как ms, ns, ps,
![При этом индексы в формуле субстрата обозначим как ms, ns, ps, qs,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-46.jpg)
qs,
в формуле продукта — соответственно тР, nР, рР, qР.
Для биомассы соответствующие индексы тх= 1, nх= 1,8, Рх= 0,5, qx= 0,2.
Слайд 48 уравнение баланса по углероду:
ʋSmS = 1 + ʋpmp + ʋCO2
То же
![уравнение баланса по углероду: ʋSmS = 1 + ʋpmp + ʋCO2 То](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-47.jpg)
для водорода:
ʋSnS + ʋNH3 · 3 = 1,8 + ʋpnp + ʋH2O · 2
Слайд 49Уравнение баланса по кислороду:
ʋSpS + ʋO2 · 2 = 0,5 + ʋpPp
![Уравнение баланса по кислороду: ʋSpS + ʋO2 · 2 = 0,5 +](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-48.jpg)
+ ʋCO2 · 2 + ʋH2O · 1
Уравнение баланса по азоту:
ʋsqs + ʋNH3 = 0,2 + ʋpqp
Слайд 50 Решение системы уравнений позволит найти все стехиометрические коэффициенты для данного процесса
![Решение системы уравнений позволит найти все стехиометрические коэффициенты для данного процесса ферментации.](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-49.jpg)
ферментации.
Для примера рассмотрим конкретный процесс производства лимонной кислоты.
Известно, что в процессе ферментации на 1 кг потребленной сахарозы получается 0,6 кг лимонной кислоты и 0,3 кг сухой биомассы. Рассчитайте стехиометрические коэффициенты уравнения
Слайд 51Переведем все величины в г моли соответствующих веществ
Молекулярная масса (г/моль): сахарозы
![Переведем все величины в г моли соответствующих веществ Молекулярная масса (г/моль): сахарозы](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-50.jpg)
(С12Н22О11) равна 342, лимонной кислоты (СбН8О7) — 192, С-моль биомассы — 24,6.
Отсюда в молях:
1000/342 [CI2H22O11] → 300 /24,6 [X] +
+ 600 /192 [C6H8O7]
2,92[CI2H22O11] →12,20 [X] + 3,13 [C6H8O7].
Слайд 52 Пересчитаем все стехиометрические коэффициенты на С-моль биомассы, т.е. разделим обе части
![Пересчитаем все стехиометрические коэффициенты на С-моль биомассы, т.е. разделим обе части равенства](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-51.jpg)
равенства на 12,2.
0,24 [С12Н22О11] → [X] + 0,26 [С6Н8О7].
для полного уравнения есть:
ʋs = 0,24 и ʋP= 0,26.
Слайд 53Для нахождения оставшихся коэффи-циентов записываем систему уравнений элементного баланса для данного процесса
При
![Для нахождения оставшихся коэффи-циентов записываем систему уравнений элементного баланса для данного процесса](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-52.jpg)
этом для субстрата (сахарозы) значения индексов:
ms =12, ns= 22, ps= 11, qs = 0
Для продукта (лимонной кислоты):
mР = 6, nР= 8, рР = 7, qP = 0.
Баланс по углероду: ʋSmS = 1 + ʋpmp + ʋCO2
0,24 · 12 = 1+ 0,26 · 6 + ʋCO2,
ʋCO2=0,32.
Слайд 54Баланс по водороду: ʋSnS + ʋNH3 · 3 = 1,8 + ʋpnp
![Баланс по водороду: ʋSnS + ʋNH3 · 3 = 1,8 + ʋpnp](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-53.jpg)
+ ʋH2O · 2
0,24 · 22 + ʋNH3 · 3 = 1,8 + 0,26 · 8 + 2 · ʋH2O,
или
2ʋH2O - 3ʋNH3 = l,4.
Слайд 55Баланс по кислороду: ʋSpS + ʋO2 · 2 = 0,5 + ʋpPp
![Баланс по кислороду: ʋSpS + ʋO2 · 2 = 0,5 + ʋpPp](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-54.jpg)
+ ʋCO2 · 2 + ʋH2O
0,24 · 11 + 2 ʋO2 = 0,5 + 7 · 0,26 + 2 · 0,32 + ʋH2O,
или
2 ʋO2 – ʋH2O = 0,32
Слайд 56 Баланс по азоту: ʋsqs + ʋNH3 = 0,2 + ʋpqp
0 +
![Баланс по азоту: ʋsqs + ʋNH3 = 0,2 + ʋpqp 0 +](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/975173/slide-55.jpg)
ʋNH3 = 0,2 + 0
откуда ʋNH3 = 0,2
из 2 ʋH2O – 3 ʋNH3 = l,4,
ʋH2O = 1,0
из 2 ʋO2 – ʋH2O = 0,32;
ʋO2 = 0,66