Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

Основные принципы стехиометрии
В химических процессах:
nAA + nBB = nCC + nDD
Подбор стехиометрических коэффициентов в уравнении (nA, nB, nC, nD) осуществляем на основании
закона сохранения материи
1.

Основные принципы стехиометрии
В биохимических процессах:
Общее количество элементов, включенное в структуры клетки, равно количеству, взятому клеткой из питательной среды
1.

Основные принципы стехиометрии
В биохимических процессах:
Субстраты Продукты
nС [углеродный субстрат] nX [биомасса]
nN [азотный субстрат] nP [продукт
nP [фосфорный субстрат] метаболизма]
nO2 [О2] nCO2 [CO2]
.... nH2O [H2O]
nX [биомасса] ...
1.
=
(nX+1)

Основные принципы стехиометрии
В биохимических процессах:
Субстраты Продукты
nС [углеродный субстрат] nX [биомасса]
nN [азотный субстрат] nP [продукт
nP [фосфорный субстрат] метаболизма]
nO2 [О2] nCO2 [CO2]
.... nH2O [H2O]
...
1.
=

Вывод «формулы» биомассы
Каков элементный состав биомассы?
Лесина Ю.А.
2.
Таблица 1 – Элементный состав биомассы микроорганизмов (по данным элементного анализа)

Вывод «формулы» биомассы
«Формула»
дрожжи С3,92 Н6,5 O1,88 N0,54 P0,05 S0,03
бактерии С4,42 Н7,0 O1,25 N0,86 P0,1 S0,03
«усредненная» биомасса С4,17 Н8,0 O1,25 N1,0 P0,1 S0,03
2.
Таблица 2 – Расчет числа грамм-атомов элементов в 100 г сухой биомассы

Вывод «формулы» биомассы
«Формула» С-моль
дрожжи С3,92 Н6,5 O1,88 N0,54 P0,05 S0,03 СН1,66 O0,48 N0,14
бактерии С4,42 Н7,0 O1,25 N0,86 P0,1 S0,03 СН1,58 O0,28 N0,19
«усредненная» С4,17 Н8,0 O1,25 N1,0 P0,1 S0,03 СН1,92 O0,3 N0,24
биомасса
СН1,8 O0,5 N0,2
Молекулярная масса С-моля:
Мr = 1•12 + 1,8•1 + 0,5•16 + 0,2•14 = 24,6
С этого момента забудем о существующих мелких различиях в составах биомассы микроорганизмов!
2.
С-моль - условный моль, приведенный
к одному атому углерода
Формула Стоутхаммера
С-моля биомассы

Расчет выхода биомассы на углеродный субстрат
3.
Таблица 2 – Расчет стехиометрического выхода биомассы для различных субстратов

Определение стехиометрических соотношений в реальных процессах ферментации
4.
Проблемы расчета реальных процессов ферментации:
затраты субстратов на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов (непроизводительные затраты)
фактический выход сильно зависит от условий и скорости роста биомассы
одновременно протекающие процессы катаболизма и анаболизма
Стехиометрические коэффициенты определяются
из экспериментальных данных по потреблению субстрата и образованию продуктов биохимического взаимодействия

Определение стехиометрических соотношений в реальных процессах ферментации
4.
Общее стехиометрическое соотношение для объединенного процесса, включающего катаболизм и анаболизм
nS S + nO2 [О2] + nN [NH3] →X + nP [Р] + nCO2 [CO2] + nH2O [H2O]
С-моль
моль

Материальный баланс стадии ферментации
mст.ПС + mпос.мат. + mО2потр. ± mвл.возд. + (mдолив.) + mст.пеног. = mк.ж. + mсо2 + mбрызг.+ (mотлив.)
mст.ПС - масса стерильной питательной среды, кг
mпос.мат. – масса посевного материала, кг
mО2потр. – масса кислорода, потребленного из воздуха в процессе ферментации, кг
mвл.возд. – масса влаги, принесенной (унесенной) из ферментатора, кг
mдолив./mотлив. – масса доливов (отливов), если предусмотрены технологией, кг
mст.пеног. – масса стерильного пеногасителя, кг
mк.ж. – масса культуральной жидкости, кг
mсо2 – масса СО2, выделившегося в процессе ферментации, кг
mбрызг. – масса жидкости, унесенной из ферментатора в виде брызг, кг

Тепловой баланс
ферментатора (на режиме ГД)
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8+ Q9
Q1- тепло, поступающее с исходными компонентами (питательная среда, посевной материал, воздух на стерилизацию), кДж
Q2 - тепло, поступающее с теплоносителем, кДж
Q3 - тепловой эффект биосинтеза, кДж
Q4 - тепловой эффект перемешивания, кДж
Q5 - тепло, уходящее с культуральной жидкостью, кДж
Q6 - тепло, уходящее с отработанным воздухом, кДж
Q7 - тепло, на нагрев (охлаждение) аппарата, кДж
Q8 - тепло, затраченное на испарение влаги из воздуха, кДж
Q9 - потери тепла в окружающую среду, кДж

Тепловой эффект биосинтеза (жизнедеятельности микроорганизмов)
Q3 = Qж = QM0 + QS – QM – QP
QM0 – тепло, вносимое посевным материалом, кДж
QS – тепло, вносимое с компонентами питательной среды, кДж
QM – тепло, уходящее с мицелием, кДж
QP – тепло уходящее с продуктами биосинтеза, кДж
Q = mi•qсг.i
находим либо считаем