Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

 

Если в результате химического взаимодействия реагентов А и В образуются продукты С и D и выделяются тепло ∆Н, то можно с учетом стехиометрических коэффициентов νА, νВ, νC, νD и νН можно записать стехиометрическое уравнение реакции:

νАА + νВВ = νCС + νDD + νН ∆Н                   (2.6)

Определенные значения стехиометрических коэффициентов отражают закон сохранения материи: количество атомов элементов, составляющих вещества А,В,С и D, не должно изменяться в процессе превращения веществ.

Действие закона сохранения энергии в биологии приводит к перегруппировке макро- и микроэлементов. Такая перегруппировка предполагает, что общее количество углерода, азота, фосфора, водорода, кислорода, металлов и др. элементов, включенное в структурные компоненты клетки (ядро, клеточную стенку, митохондрии, др.), внутри- и внеклеточные вещества (АТФ, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, эндо- и экзоферменты, антибиотики), равно количеству этих элементов, потребленных из питательной среды.

Схематическое представление процесса культивирования микроорганизмов представлено на рис. 2.3.

 

	Субстраты		Продукты

Система культивирования микроорганизмов

Рис. 2.3 – Схема процесса культивирования микроорганизмов

 

    Стехиометрическое уравнение для ферментативной реакции превращения субстратов (S) в продукты (Р) и биомассу (Х) в процессе культивирования можно записать следующим образом (квадратные скобки традиционно обозначают концентрации веществ, в данном случае различных субстратов):

 

νС [углеродный субстрат] + νN [азотный субстрат] + νФ [фосфорный субстрат] + νО2 [кислород как субстрат] =

νХ [биомасса] + νР [продукт метаболизма] + …+ νСО2 [СО2] + νН2О [Н2О]  + νН ∆ Н                                                                                       (2.7)

В процессах культивирования биомасса (Х) накапливается как продукт реакции; она же в качестве инокулята является важнейшим исходным реагентом, от ферментативной (катализирующей) активности которого зависит протекание реакции. Поэтому правильнее было бы показать биомассу в качестве субстрата с коэффициентом ν_Х, а в качестве продукта с коэффициентом (ν_Х+1). Однако количество инокулята принимается пренебрежимо малым в сравнении с количеством биомассы, накопленной в процессе культивирования.

Реакции, в которых продукт является катализатором реакции, называются автокаталитическими.

 

Формула биомассы микроорганизмов.

Молекулярный вес биомассы (биомоль)

 

Для работы со стехиометрическим уравнением нужно определить формулу биомассы. Элементный состав биомассы микроорганизмов приведен в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1 – Элементный состав биомассы различных микроорганизмов

Состав микроорганизмов	Элементный состав, %
	С	Н	О	N	P	S	Зола
Дрожжи	47,0	6,5	30,0	7,5	1,5	1,0	6,5
Бактерии	53,0	7,0	20,0	12,0	3,0	1,0	4,0
«Усредненный»	50,0	8,0	20,0	14,0	3,0	1,0	4,0

Если принять сухой вес биомассы равным 100 г, масса соответствующего элемента (С, H, O, N, P, S) в граммах (грамм-атомах) равна отношению его процентного содержания к его атомной массе (табл. 2.2). При этом зольными компонентами биомассы пренебрегают.

 

Таблица 2.2 – Удельно-весовой элементный состав биомассы различных микроорганизмов

Состав микроорганизмов	Элементный состав, грамм-атомов
	С/12	Н/1	О/16	N/14	P/31	S/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
«Усредненный»	4,17	8,0	1,25	1,0	0,1	0,03

    Таким образом, формула биомассы записывается так:

 

    для дрожжей C_3,92H_6,5O_1,88N_0,54P_0,05S_0,03 ,

          для бактерий:  C_4,42H_7,0O_1,25N_0,86P_0,1S_0,03 ,

    для микроорганизмов «усредненного» состава: C_4,17H_8,0O_1,25N_1,0P_0,1S_0,03 .

 

Молекулярный вес биомассы (биомоль) составляет около 100 (с учетом зольности биомассы).

Для простоты расчетов по стехиометрическим уравнениям из формулы биомассы можно исключить некоторые элементы, чаще всего фосфор и серу.

Далее, для расчетов удобнее принять формулу биомассы из расчета на 1 атом углерода. Для этого нужно разделить индексы при всех атомах на индекс при углероде:

для дрожжей – CH_1,66O_0,48N_0,14

для бактерий – CH_1,58O_0,28N_0,19

для биомассы «усредненного» состава - CH_1,92O_0,3N_0,24

 

Для практических расчетов биомоля «усредненного» состава часто используют формулу Стоутхамера:

 

CH_1,8O_0,5N_0,2         с молекулярной массой 24,6.