СТЕХИОМЕТРИЯ И ЭНЕРГЕТИКА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Стехиометрия процесса – это показатели или закономерности, характеризующие количественные соотношения между исходными веществами и конечными продуктами. В биотехнологии это – экономические коэффициенты по источнику углерода, энергии, азота, фосфора, а также выход целевого продукта на единицу потребленного сырья и т.д. Наиболее важный стехиометрический показатель для большинства микробиологических процессов – экономический коэффициент по источнику углерода, представляющий собой отношение количеств образованной биомассы и потребленного при этом источника углерода.

Экономические коэффициенты обозначаются символом Y (от английского yield – выход), нижний индекс характеризует критерий, относительного которого измеряется выход. Например, - отношение прироста биомассы Х к потребленному субстрату S, т.е. экономический коэффициент для биомассы.

Таким образом, в периодическом процессе экономический коэффициент рассчитывается по формуле:

где Х и S – концентрации биомассы и субстрата соответственно.

В состоянии равновесия в процессе непрерывного культивирования:

где S₀ и S – концентрации какого-либо субстрата на входе и выходе из аппарата для культивирования. В литературе иногда используют показатель α – величину, обратную экономическому коэффициенту. Показатель α характеризует расход какого-либо вещества, необходимый для образования целевого продукта. Наиболее часто на практике используют экономический коэффициент, выражая его в размерности г/г, % (к использованному сырью), а в теоретических исследованиях широко применяют размерности г/моль (молярный экономический коэффициент) или моль/моль. Стехиометрия тесно связана с энергетическими преобразованиями в ходе биотехнологического процесса, поскольку количество энергии, запасенной в субстрате – источнике энергии, и эффективность трансформации этой энергии в доступную клеткам форму определяют количество биомассы и метаболитов, образованных при усвоении источников углерода, азота и других компонентов питательной среды. Поэтому, зная метаболизм изучаемого продуцента, можно рассчитать стехиометрические показатели процесса его жизнедеятельности.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ БАЛАНС БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА БИОМАССЫ

Целью составления элементных балансов является нахождение одних стехиометрических показателей (например, потребление кислорода при образовании 1 г АСБ, АСБ – абсолютно сухая биомасса) при известных других показателях, например, если известен экономический коэффициент. Важнейшими компонентами, которые входят в состав исходных и конечных органических веществ биотехнологического процесса являются углерод, кислород, азот и водород. В биомассе микроорганизмов их содержание составляет около 92-93% сухого вещества. Таким образом, состав биомассы (при «среднем» химическом составе) можно описать формулой: CH_1.77O_0.49N_0.16. Молекулярная масса такого «соединения» с учетом 7- % - ой зольности биомассы и веса золы равна 24,28 (удобно его называть «биомолем»).

Рассмотрим алгоритм составления элементного баланса и расчета стехиометрических показателей на примере синтеза биомассы микроорганизмов из некоторого субстрата, аммиака и кислорода с образованием клеток биомассы, двуокиси углерода и воды.

м.м.S м.м. = 17 м.м. = 32 м.м.Х = 24,28 м.м. = 44 м.м. = 18

где м.м. – молекулярные массы компонентов;

S – субстрат;

– брутто-формула биомассы Х;

k₁, k₂, k₃, k₄, k₅ – стехиометрические коэффициенты.

Необходимо определить все стехиометрические коэффициенты, рассчитать: потребление , и тепловой эффект процесса в расчете на 1 г образованной биомассы.

Алгоритм расчета:

1. Составляем баланс по углероду. Углерод входит в состав S, биомассы Х и одного из продуктов микробной деятельности –

а) ,

где – экономический коэффициент по биомассе.

б) Стехиометрический коэффициент при субстрате S = 1, поэтому уравнение баланса по углероду можно записать в виде:

, откуда ,

где C_S – число углеродных атомов в молекуле субстрата S.

2. Составляем баланс по азоту. Азот входит в состав аммиака и биомассы:

3. Составляем баланс по водороду:

, откуда ,

где H_S – число водородных атомов в молекуле субстрата.

4. Составляем баланс по кислороду:

,

откуда ,

где O_S – число атомов кислорода в молекуле субстрата.

5. Записываем уравнение баланса – реакцию синтеза биомассы микроорганизма с учетом рассчитанных стехиометрических коэффициентов.

6. Из уравнение баланса рассчитываем количество аммиака, необходимого для синтеза 1 г АСБ:

, [г ]

7. Рассчитываем потребность в кислороде на синтез 1 г асб:

, [г ]

8. Тепловой эффект ферметации Q рассчитываем, зная, что при восстановлении 1 г кислорода микроорганизмами выделяется 14,4 кДж энергии в виде тепла (3,44 ккал) (Minkevich, Eroshin, 1973):

, [кДж/г АСБ]

8. В научно – исследовательской практике часто бывает необходимо рассчитать такие показатели процесса культивирования, как дыхательный коэффициент – ДК (отношение количества молей выделенного CO₂ к количеству молей восстановленного O₂), или энергетический выход роста

Сравним величину ДК, полученного в процессе синтеза биомассы и рассчитанного по уравнению «холостого» опыта – окисления субстрата S до CO₂ и воды без синтеза биомассы:

При нормальном процессе биосинтеза ДК, который можно определять экспериментально в лабораторных или в промышленных условиях путем автоматического анализа выходящего из ферментера газа, будет составлять величину, рассчитанную как k₄/k₂, а при ухудшении биосинтеза (преобладании энергетического обмена при лимитировании или ингибировании конструктивного обмена) будет повышаться до величины, рассчитанной по уравнению холостого опыта.

8. Энергетический выход роста η определяется как часть свободной энергии субстрата, которая перешла к биомассе микроорганизма, т.е.

,

где – теплота сгорания 1 г субстрата до CO₂, N₂, H₂O

Эту величину можно найти по справочным данным или рассчитать приближенно, используя уравнение холостого опыта:

а) расход O₂ на сжигание 1 г субстрата составляет

, [г O₂ /г], откуда: , [кДж/г S ].

8. В научной литературе также используется такой показатель, как экономический коэффициент по углероду Y_C., отражающий, сколько атомов углерода субстрата перешли в биомассу:

, [моль Х/ моль ]. (1.20)

Варианты заданий

По рассмотренному выше алгоритму рассчитать:

а) коэффициенты уравнения элементного баланса;

б) потребности в NH₃ и O₂;

в) тепловой эффект процесса биосинтеза.

Вариант 1: Синтез биомассы из глюкозы (Y = 0,50 г АСБ/г глюкозы):

м.м.=180 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.18

Вариант 2: Рост микроорганизма на среде с гексадеканом (Y = 1,1 г АСБ/г гексадекана):

м.м.=16 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 3: Рост микроорганизмов на среде с метаном (Y = 0,7 г АСБ/г метана):

м.м.=16 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 4: Рост на среде с метанолом (Y = 0,40 г АСБ/г метанола):

м.м.=32 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 5: Биосинтез на этаноле (Y = 0,6 г АСБ/г этанола):

м.м.=46 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 6: Потребление фенола адаптированными микроорганизмами активного ила в процессе биологической очистки воды (Y = 0,85 г АСБ/г фенола):

м.м.=94 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Полученные результаты основных показателей процессов проанализировать в соответствии со сравнительной таблицей. Сформулировать выводы об эффективности использования энергии, запасенной в том или ином субстрате.