Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

1. Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов Цель: научится составлять уравнение материального баланса процессов биосинтеза План Основные принципы стехиометрии Вывод «формулы» биомассы микроорганизмов Расчет выхода биомассы на углеродный субстрат Определение стехиометрических соотношений в реальных процессах ферментации (на примере биосинтеза лимонной кислоты)

2. Основные принципы стехиометрии 1. • В химических процессах: nAA + nBB = nCC + nDD Подбор стехиометрических коэффициентов в уравнении (nA, nB, nC, nD) осуществляем на основании закона сохранения материи

3. Основные принципы стехиометрии 1. • В биохимических процессах: Общее количество элементов, включенное в структуры клетки, равно количеству, взятому клеткой из питательной среды

4. Основные принципы стехиометрии 1. • В биохимических процессах: СубстратыПродукты nС [углеродный субстрат] nX [биомасса] nN [азотный субстрат] nP [продукт nP [фосфорный субстрат] метаболизма] nO2 [О2] nCO2 [CO2] .... nH2O [H2O] nX [биомасса]... (nX+1) =

5. Основные принципы стехиометрии 1. • В биохимических процессах: СубстратыПродукты nС [углеродный субстрат] nX [биомасса] nN [азотный субстрат] nP [продукт nP [фосфорный субстрат] метаболизма] nO2 [О2] nCO2 [CO2] .... nH2O [H2O] ... =

6. Вывод «формулы» биомассы 2. • Каков элементный состав биомассы? Таблица 1 – Элементный состав биомассы микроорганизмов (по данным элементного анализа) Лесина Ю.А.

7. Вывод «формулы» биомассы 2. Таблица 2 – Расчет числа грамм-атомов элементов в 100 г сухой биомассы «Формула» дрожжи С3,92Н6,5O1,88N0,54P0,05S0,03 бактерии С4,42Н7,0O1,25N0,86P0,1S0,03 «усредненная» биомасса С4,17 Н8,0 O1,25 N1,0 P0,1 S0,03

8. Вывод «формулы» биомассы 2. С-моль - условный моль, приведенный к одному атому углерода «Формула» С-моль дрожжиС3,92Н6,5O1,88N0,54P0,05S0,03 СН1,66O0,48N0,14 бактерииС4,42Н7,0O1,25N0,86P0,1S0,03 СН1,58O0,28N0,19 «усредненная»С4,17 Н8,0 O1,25 N1,0 P0,1 S0,03 СН1,92O0,3N0,24 биомасса СН1,8O0,5N0,2 Молекулярная масса С-моля: Мr = 1•12 + 1,8•1 + 0,5•16 + 0,2•14 = 24,6 С этого момента забудем о существующих мелких различиях в составах биомассы микроорганизмов! Формула Стоутхаммера С-моля биомассы

9. Расчет выхода биомассы на углеродный субстрат 3. • Таблица 2 – Расчет стехиометрического выхода биомассы для различных субстратов

10. Определение стехиометрических соотношений в реальных процессах ферментации 4. Проблемы расчета реальных процессов ферментации: • затраты субстратов на поддержание жизнедеятельности микроорганизмов (непроизводительные затраты) • фактический выход сильно зависит от условий и скорости роста биомассы • одновременно протекающие процессы катаболизма и анаболизма Стехиометрические коэффициенты определяются из экспериментальных данных по потреблению субстрата и образованию продуктов биохимического взаимодействия

11. Определение стехиометрических соотношений в реальных процессах ферментации 4. Общее стехиометрическое соотношение для объединенного процесса, включающего катаболизм и анаболизм ПРИМЕР: Экспериментально установлено, что в процессе ферментации на 1 кг потребленной сахарозы получается 0,6 кг лимонной кислоты и 0,3 кг сухой биомассы. Составить стехиометрическое уравнение для процесса биосинтеза лимонной кислоты. М (С12Н22О11) = 342 г/моль М (С6Н8О7) = 192 г/моль М (СН1,8О0,5N0,2)= 24,6 г/моль nS S + nO2 [О2] + nN [NH3] →X + nP [Р] + nCO2 [CO2] + nH2O [H2O] С-моль моль

12. Ответ: nS [C12H22O11] + nO2[О2] + nN [NH3] →[CH1,8O0,5N0,2] + + nP [C6H8O7] + nCO2 [CO2] + nH2O [H2O] 0,66 0,2 0,24 0,32 1,0 0,26

13. Материальный баланс стадии ферментации mст.ПС + mпос.мат. + mО2потр. ± mвл.возд. + (mдолив.) + mст.пеног. = mк.ж. + mсо2 + mбрызг.+ (mотлив.) mст.ПС - масса стерильной питательной среды, кг mпос.мат.– масса посевного материала, кг mО2потр.– масса кислорода, потребленного из воздуха в процессе ферментации, кг mвл.возд.– масса влаги, принесенной (унесенной) из ферментатора, кг mдолив./mотлив. – масса доливов (отливов), если предусмотрены технологией, кг mст.пеног.– масса стерильного пеногасителя, кг mк.ж. – масса культуральной жидкости, кг mсо2 – масса СО2, выделившегося в процессе ферментации, кг mбрызг. – масса жидкости, унесенной из ферментатора в виде брызг, кг

14. Тепловой баланс ферментатора (на режиме ГД) Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 + Q8+ Q9 Q1- тепло, поступающее с исходными компонентами (питательная среда, посевной материал, воздух на стерилизацию), кДж Q2- тепло, поступающее с теплоносителем, кДж Q3- тепловой эффект биосинтеза, кДж Q4- тепловой эффект перемешивания, кДж Q5- тепло, уходящее с культуральной жидкостью, кДж Q6- тепло, уходящее с отработанным воздухом, кДж Q7- тепло, на нагрев (охлаждение) аппарата, кДж Q8- тепло, затраченное на испарение влаги из воздуха, кДж Q9- потери тепла в окружающую среду, кДж

15. Тепловой эффект биосинтеза (жизнедеятельности микроорганизмов) • Q3 = Qж = QM0 + QS – QM – QP QM0– тепло, вносимое посевным материалом, кДж QS– тепло, вносимое с компонентами питательной среды, кДж QM – тепло, уходящее с мицелием, кДж QP – тепло уходящее с продуктами биосинтеза, кДж Q = mi•qсг.i находим либо считаем

16. Тепловой эффект перемешивания • Q4 = N • τпер.• 3600 N – мощность, затрачиваемая на перемешивание (мощность электродвигателя), Вт τ – время перемешивания, ч

17. Задача 1 • Определить влияние объема питательной среды и температуры стерилизации на время выдержки. • Объемы стерилизуемой среды 5,32, 50 м3. • Температуры стерилизации 100, 120, 130 0С. • Вероятность выживания N=0,01. Лесина Ю.А.

18. Решение(см.ЛК 9,10) К – удельная скорость гибели микроорганизмов, 1/мин N0 – число микроорганизмов в стерилизуемом объекте N – конечное число микроорганизмов в стерилизуемом объекте.

19. К - в расчетах используется К Bacilliusstearothermothillusшт.1518 в зависимости от температуры (табл. 10.2) N0 = 106м.о./мл х 5106мл = 51012 N0 = 106м.о./мл х32106мл = 321012 N0 = 106м.о./мл х 50106мл = 501012

20. Задача 2 • Рассчитать геометрический объем емкостного выдерживателя для стерилизации питательной среды. • Исходные данные для расчета. • Вероятность выживания микроорганизмов при непрерывной стерилизации принять 0,001. • Обсемененность минеральных солей принять по обсемененности мела, подсолнечного масла – по зеленой патоке.

21. Решение(см.ЛК 9,10) VПС – объем стерилизуемой питательной среды с конденсатом, м3; τстерил. – время стерилизации всей среды, ч; φ - коэффициент заполнения выдерживателя, 0,9 • К = 7,4 мин-1, N = 0,001 м3 Лесина Ю.А.

22. Расчет No • Рассчитаем массу концентрата ПС: Объем конденсата составляет • Vконд. = 3515/100 = 5,25 (м3) Объем концентрата ПС • Vконц.ПС = 35–5,25 = 29,75 (м3) Масса концентрата ПС • mконц.ПС = Vρ = 29,751070 = 31832,5 (кг) Лесина Ю.А.

23. Расчет No 100-(7,0+3,0+,0,15+3,5+0,8+0,4+0,6)=84,55 mконц.ПС•вес.%\100 • Рассчитаем обсемененность ПС mкомп.ПС(г)•обсемененность, сп./г Лесина Ю.А.

24. Таблица 10.1 – Обсемененность компонентов питательных сред споровыми формами микроорганизмов Лесина Ю.А.

25. Задача 3 • Рассчитать оптимальный трубчатый выдерживатель для стерилизации питательной среды • Исходные данные для расчета: • Вероятность выживания микроорганизмов при непрерывной стерилизации принять 0,001.

26. Решение Лесина Ю.А.

27. м3/ч N0 = 106м.о./мл х 50106мл = 501012 210-13

28. Лесина Ю.А.