Методичка БФХ / 2

Термодинамические расчёты в биотехнологических процессах

Применение термодинамических закономерностей к биотехнологическим системах представляет теоретический и практический интерес. На основе стехиометрических закономерностей следует оставлять материальный баланс основной стадии процесса – ферментации или ферментативного превращения, а по материальному балансу строиться тепловой баланс. Эти расчёты используются далее для проектировании промышленных производств.

С теоретической точки зрения интересным представляется вопрос об энергетической эффективности потребления субстратов клетками микроорганизмов и оценка на этой основе целесообразности осуществления тех или иных процессов.

Стехиометрия и материальный балансы микробиологических производств

Любой процесс может быть описан стехиометрическим уравнением, связывающим массы исходных веществ и продуктов, основанным на законе сохранения масс. Стехиометрическое уравнение простой химической реакции имеет вид:

(1),

где, ν_i– стехиометрический коэффициент i-го компонента в рассматриваемой реакции;

M_i – молекулярная масса.

Стехиометрические коэффициенты учитывают количество молей каждого из веществ, вступающих во взаимодействие или образующихся в его результате. Стехиометрические коэффициенты продуктов считают положительными, а вещества вступающие во взаимодействие – отрицательными.

Стехиометрическое уравнение любого химического процесса представляют с собой равенство, в левой и правой частях которого массы различных веществ суммируются таким образом, что бы число грамм-атомов любого элемента слева или справа от знака равенство совпадало.

Стехиометрическое уравнение для общего случая микробиологических процессов, когда популяция микроорганизмов растёт за счёт потребления основного субстрата и вспомогательных веществ, выделяя при этом ряд продуктов имеет вид:

(2),

где, S_i – питательные вещества – субстраты; P_i – продукты.

Отличия данного уравнения от обычной для химии стехиометрической зависимости объясняется тем, что любые клетка осуществляют одновременно анаболитические и катаболитические процессы. Анаболитические процессы приводят к биосинтезу всех структыр клетки и некоторых важных продуктов (Экхоферментам), но многие из анаболитических реакций – эндэргонические. Это обстоятельство вынуждает клетку одновременно вести катаболитическиее процессы.

Анаболитический процесс можно представить в виде схемы:

(3),

Катаболитический процесс:

(4),

Для анаэробных процессов:

(5),

При описании стехиометрических уравнений на первом этапе рассматривают катаболитические (4;5) и анаболитические (3) процессы, а по их сумме находят брутто-уравнение (2) микробиологического процесса.

Для составления стехиометрического уравнения при биосинтезе необходимо знать не только состав потребляемых исходных веществ, элементарный состав биомассы и состав образующихся в заданном режиме продуктов, ни и количественные характеристики, которые обычно представляют в виде расходных коэффициентов.

Расходные коэффициенты представляют собой отношение массы потреблённого субстрата ΔSi к приросту биомассы (на 1 гр потреб субстрата). На практике используют обратную величину, которую называют экономическим коэффициентом (Y) по данному исходному веществу:

[г/г]

Δx – прирост абсолютной сухой биомассы (АСБ)

Экономический коэффициент показывает эффективность потребления питательной ценности субстрата.

Выход биомассы

Энергетический выход (теоретически возможный выход)

Состав биомассы:

АСВ – абсолютно сухой вес;

АСБ – абсолютно сухая биомасса

Все стехиометрические расчёты выполняются на 1 г АСБ.

Элементарный состав абсолютно сухой биомассы микроорганизмов, определяется природой микроорганизмов и практически одинаков для всех дрожжей, всех бактерий.

АСБ дрожжей содержит по массе 46, 0 % углерода, 6,8 % водорода, 8,8 % азота, 33,1 % кислорода и 5,3 % золы. Элементарный анализ бактерий даёт среднее содержание по массе углерода 48,2 %, водорода 7,2 %, азота 9,7 %, кислорода 27,4 %, золы 7,5 %. Бактериальная масса содержит больше белка и нуклеиновых кислот.

Данные % массового соотношения на 1 г можно представить в виде брутто-формулы:

дрожжи
бактерии

Данные брутто-формулы состава получаемой биомассы можно пересчитать из расчёта на 1 атом углерода:

дрожжи
бактерии

При написании стехиометрических уравнений используют выражение образующейся биомассы в массовом соотношении.

Для характеристики запаса энергии субстрата

Максимально достижимый (теоретический) выход биомассы: