1. Элементный баланс процессов микробиологического синтеза

Цель составления элементных балансов - нахождение стехиометрических коэффициентов реакции и других расходных характеристик процесса.

В состав исходных и конечных органических веществ процесса биосинтеза входят в основном четыре элемента - углерод, водород, кислород и азот, содержание которых в сухой биомассе составляет 92-93%. Состав биомассы (при среднем химическом составе) можно описать формулой СН_1,77О_0,49N_0,16 [1]. Молекулярная масса такого “соединения” равна 24,28.

Общее уравнение синтеза биомассы может быть записано:

C_аH_mO_l + X₁ NH₃ + X₂ O₂ = X₃ CH_pO_nN_q + X₄ CO₂ + X₅ H₂О,

где а, m, l - число атомов углерода, водорода, кислорода в субстрате; p, n, q - число атомов водорода, кислорода и азота, приходящихся на один атом углерода в биомассе.

В этом уравнении 5 неизвестных коэффициентов, представляющих собой соответствующие количества молей веществ, участвующих в реакции. Для их определения используют четыре балансовых уравнения по элементам (C, H, O, N) и известный (экспериментально установленный) экономический коэффициент выхода Y. Y_x/s - выход биомассы от субстрата (Y_x/s = X/S , где X и S - концентрации биомассы и субстрата); аналогично Y_p/s = P/S - выход продукта к потребленному субстрату.

Определение стехиометрических коэффициентов уравнения и ряда других характеристик процесса биосинтеза проводят в следующей последовательности:

1. Через экономический коэффициент определяют коэффициент X₃

,

где mwS и mwБ - молекулярные массы субстрата и биомассы:

mwS = 12 а + 16 l + m; mwБ = 12 + p +16 n + 14 q .

2. Составляют балансовые соотношения по элементам и из них находят оставшиеся неизвестные коэффициенты уравнения:

- баланс по углероду: а= X₃ + X₄ , ;

- баланс по азоту: X₁ = q X₃ . ;

- по водороду: m + 3X₁ = p X₃ + 2X₅ , ;

- по кислороду: l + 2X₂ = n X₃ + 2X₄ + X₅ ,

.

3. Определяется потребность в аммиаке и кислороде на синтез 1 г биомассы (расходные коэффициенты) и выход СО₂ :

;

;

.

4. Тепловой эффект ферментации рассчитывается по формуле

,

где 14,45 - величина удельного тепловыделения при биоокислении (кДж/грам восстановленного микроорганизмами кислорода).

5. Энергетический выход роста  определяется как часть свободной энергии субстрата, которая перешла к биомассе микроорганизмов:

,

где H - теплота сгорания 1 г субстрата до СО₂ и Н₂О, которую можно рассчитать приближенно как произведение константы восстановления 1 г кислорода на расходный коэффициент кислорода при сгорании субстрата (уравнение: C_аH_mO_l + Z₂ O₂ = Z₄ CO₂ + Z₅ H₂О):

.

Подстановка позволяет получить: .

6. Дыхательный коэффициент - отношение количества молей выделенного СО₂ к количеству молей восстановленного кислорода:

ДК = X₄ /X₂ .

При “холостом окислении субстрата”, т.е. при отсутствии прироста биомассы, дыхательный коэффициент будет максимальным.

7. Экономический коэффициент по углероду Y_C - представляет долю атомов углерода субстрата перешедших в биомассу:

Y_C =X₃ /а .

Если в общем уравнении биосинтеза формула субстрата представлена в виде CH_mO_l , что встречается в литературе (m, l - число атомов водорода и кислорода, приходящихся на один атом углерода в субстрате), то в выражениях для определения стехиометрических коэффициентов X₄ и X₂ и расходных коэффициентов по O₂ и СО₂ а=1.

В таблице 1 приведены данные для примеров по составлению элементного баланса и расчету стехиометрических показателей.