3. Обрахунок складу поживного середовища

Скласти базове поживне середовище для вирощування штаму S. cerevisiae Y-E-1 – продуцента ергостерину, якщо за 96 годин культивування концентрація ергостерину в культуральній рідині становить 2 г/л, а концентрація біомаси 92 г/л.

Розрахунок вмісту в середовищі джерела вуглецевого живлення

Потреби для синтезу ергостерину. Як джерело вуглецю для одержання ергостерину використовують глюкозу. Розрахуємо вміст глюкози у середовищі, необхідний для одержання 2 г/л ергостерину.

Молекулярна маса ергостерину становить 396. У 396 г ергостерину міститься 336 г вуглецю, тоді у 2 г ергостерину вміст вуглецю становить (336 × 2) / 396 = 1,7 г.

Далі розрахуємо, в якій кількості глюкози міститься отримана кількість вуглецю. У 180 г глюкози міститься 72 г вуглецю, тоді 1,7 г вуглецю буде міститися в (180 × 1,7) / 72 = 4,25 г глюкози. Враховуючи, що при вирощуванні мікроорганізмів на глюкозі, близько 40 % субстрату окислюється до СО₂ для одержання енергії, необхідної для конструктивного метаболізму, вміст глюкози в середовищі становитиме (4,25 × 0,4) + 4,25 = 5,95 г/л.

Потреби для синтезу біомаси. Припустимо, що у біомасі міститься 50 % вуглецю. Таким чином, у 92 г біомаси вміст вуглецю становить 46 г.

Розрахуємо кількість глюкози, необхідну для одержання 92 г/л біомаси. Молекулярна маса глюкози становить 180. Отже, у 180 г глюкози міститься 72 г вуглецю, тоді 46 г вуглецю буде міститися в (180 × 46) / 72 = 115 г глюкози. Враховуючи 40 % втрат субстрату на «холосте окиснення», для одержання 92 г/л біомаси, необхідно внести (115 × 0,4) + 115 = 161 г/л.

Отже, загальний вміст глюкози в середовищі, необхідний для синтезу біомаси (92 г/л) і ергостерину (2 г/л), становить 5,95 + 161 = 166,95 г/л ≈ 167 г/л.

Розрахунок вмісту в середовищі джерела азотного живлення

Потреби для синтезу біомаси. Припустимо, що в біомасі міститься 4 % азоту [35]. Таким чином, у 92 г біомаси вміст азоту становить 3,68 г.

Для отримання ергостерину в промислових умовах використовують середовище, яке містить як джерело мінерального азоту нітрат натрію (NaNO₃).

Розрахуємо кількість нітрату натрію, необхідного для одержання 92 г/л біомаси. Молекулярна маса NaNO₃ становить 85. Отже, у 85 г нітрату натрію міститься 14 г азоту, тоді 3,68 г азоту буде міститися у (85 × 3,68) / 14 = 22,34 г ≈ 22,5 г солі.

Для одержання 92 г/л біомаси вміст NaNO₃ у середовищі культивування повинен становити 22,5 г/л.

У прописі складу поживного середовища зазначено тільки 7 г/л NaNO₃, цієї кількості недостатньо для накопичення 92 г/л біомаси, отже залишок джерела азотного живлення 15,5 г/л повинна забезпечити підтитровка 25 %-вим розчином гідроксиду амонію NH₄OH впродовж усіх стадій підготовки посівного матеріалу та виробничого біосинтезу [30].

Отже, у 85 г нітрату натрію міститься 14 г азоту, тоді у 15,5 г цієї солі буде міститися (14 × 15,5) / 85 = 2,55 г ≈ 2,6 г азоту. Молекулярна маса NH₄OH становить 35. Для забезпечення неохідної кількості N 2,6 г у джерелі азотного живлення необхідно 6,5 г гідроксиду амонію. Адже у 35 г гідроксиду амонію міститься 14 г азоту, тоді 2,6 г азоту буде міститися у (35 × 2,6) / 14 = 6,5 г NH₄OH.

Розрахуємо необхідну кількість води, в якій потрібно розчинити 6,5 г NH₄OH для приготування 25 % розчину гідроксиду амонію.

Згідно формули масової частки розчиненої речовини w (це відношення маси розчиненої речовини m₁ до загальної маси розчину m, виражене в відсотках): w = (m₁ / m) × 100 % = (m₁ / х + m₁) × 100 %, маса розчину m = х + m₁ = (m₁ × 100) / w.

m = х + 6,5 = (6,5 × 100) / 25 = 26 г, m = х = 26 – 6,5 = 19,5 г = 19,5 мл, тому що густина води за нормальних умов = 1 г/мл.

Отже, необхідна кількість води, в якій потрібно розчинити 6,5 г NH₄OH для приготування 25 % розчину гідроксиду амонію становить 19,5 мл.

Для одержання 92 г/л біомаси у середовище культивування потрібно вносити 7 г/л нітрату натрію (NaNO₃) та 19,5 мл 25 %-го розчину гідроксиду амонію (NH₄OH).