на различных источниках углерода и энергии

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

По рассмотренному выше алгоритму рассчитать:

а) коэффициенты уравнения элементного баланса;

б) потребности в NH₃ и O₂;

в) тепловой эффект процесса биосинтеза.

Вариант 1: Синтез биомассы из глюкозы (Y = 0,50 г АСБ/г глюкозы):

м.м.=180 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.18

Вариант 2: Рост микроорганизма на среде с гексадеканом (Y = 1,1 г АСБ/г гексадекана):

м.м.=16 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 3: Рост микроорганизмов на среде с метаном (Y = 0,7 г АСБ/г метана):

м.м.=16 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 4: Рост на среде с метанолом (Y = 0,40 г АСБ/г метанола):

м.м.=32 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 5: Биосинтез на этаноле (Y = 0,6 г АСБ/г этанола):

м.м.=46 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 6: Потребление фенола адаптированными микроорганизмами активного ила в процессе биологической очистки воды (Y = 0,85 г АСБ/г фенола):

м.м.=94 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=44 м.м.=18

 

Полученные результаты основных показателей процессов проанализировать в соответствии со сравнительной таблицей. Сформулировать выводы об эффективности использования энергии, запасенной в том или ином субстрате.

Показатели роста микроорганизмов

на различных источниках углерода и энергии

Показатель	Субстрат
Глюкоза	Гексадекан	Метан	Метанол	Этанол	H2 и CO2
Экономический коэффициент, г АСБ/г субстрата	0,50	1,10	0,70	0,40	0,60	2,21(по H2) 0,55(по CO2)
Экономический коэффициент по углероду	0,62	0,64	0,46	0,53	0,57	1,00
Потребность в аммиаке, г/г АСБ	0,11	0,11	0,11	0,11	0,11	0,11
Потребность в кислороде, г/г АСБ	0,56	1,72	4,30	2,29	2,04	2,35
Тепловыделение, кДж/г АСБ	8,40	24,80	62,10	33,10	29,40	32,1
Энергетический выход ростового процесса	0,73	0,45	0,26	0,39	0,41	0,41
Дыхательный коэффициент при росте микроорганизмов	0,70	0,43	0,36	0,51	0,48	–
Дыхательный коэффициент при отсутствии роста	1,00	0,65	0,50	0,66	0,66	–

Примечание: Результаты расчетов зависят от используемого значения экономического коэффициента. В представленных заданиях использованы значения Y, близкие к экспериментальным. Доля углерода субстрата, включаемого в состав углерода биомассы, составляет у гетеротрофов обычно составляет 43-64%.

 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ БАЛАНС БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬСНОСТИ

 

Помимо изучения стехиометрии процесса роста на средах с различными субстратами целесообразно рассмотреть методику расчетов для тех случаев, когда помимо биомассы образуются и другие вещества, получение которых является целью многих биотехнологий.

Рассмотрим алгоритм составления элементного баланса и методику расчета стехиометрических показателей на примере биосинтеза некоторого целевого продукта из субстрата, аммиака и кислорода с образованием соответствующего продукта, клеток биомассы, двуокиси углерода и воды.

,

м.м.S м.м. = 17 м.м. = 32 м.м.Х = 24,28 м.м. Р м.м. = 44 м.м. = 18

где м.м. – молекулярные массы компонентов;

S и P – субстрат и продукт соответственно;

– брутто-формула молекулы биомассы Х;

Необходимо определить все стехиометрические коэффициенты, рассчитать: потребление , и тепловой эффект процесса в расчете на 1 г образованной биомассы.

1. Составляем баланс по углероду. Углерод входит в состав субстрата S, биомассы X и продукта Р, а также двуокиси углерода:

а) ,

 

где – экономический коэффициент по биомассе;

,

где - экономический коэффициент продукта;

б) Стехиометрический коэффициент при субстрате S равен 1, поэтому уравнение баланса по углероду можно записать в виде:

, откуда ,

где С_S и С_P – число углеродных атомов в молекуле субстрата S и в молекуле продукта Р соответственно.

2. Составляем баланс по азоту:

,

где N_p- число атомов в молекуле продукта Р.

3. Составляем баланс по водороду:

,

откуда ,

где H_S и H_P – число водородных атомов в молекуле субстрата и продукта соответственно.

4. Составляем баланс по кислороду:

,

откуда ,

где O_S и O_P – число атомов кислорода в молекуле субстрата и продукта соответственно.

5. Записываем уравнение баланса – реакцию биосинтеза продуктов микробного метаболизма с учетом рассчитанных стехиометрических коэффициентов.

6. Из уравнения баланса рассчитываем потребность в аммиаке для биосинтеза продукта Р и в расчете на 1 г потребленного субстрата:

а) , [г ]

б) , [г ]

7. Рассчитываем потребность в кислороде на биосинтез 1 г продукта и на 1 г потребленного субстрата:

а) , [г ]

б) , [г ]

8. Рассчитываем тепловой эффект ферментации и

а) , [кДж г АСБ]

б) , [кДж г АСБ]

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

По рассмотренному выше алгоритму рассчитать:

а) коэффициенты уравнения элементного баланса;

б) потребности в NH₃ и O₂;

в) тепловой эффект процесса биосинтеза.

Вариант 1. Биосинтез лизина на мелассной среде (Y_X/S=0,15 г АСБ/г сахарозы; Y_P/S=0,40 г полисахаридов/г сахарозы):

м.м.=342 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=162 м.м.=44 м.м.=18

Брутто-формуле соответствуют экзополисахариды(полиглюканы).

Вариант 2. Получение лимонной кислоты. На синтез биомассы гриба - продуцента расходуется 15% сахарозы, а на образование лимонной кислоты – 45%.

м.м.=342 м.м.=17 м.м.=32 м.м.=24,28 м.м.=162 м.м.=44 м.м.=18

Вариант 3. Биосинтез внутриклеточных липидов дрожжами на среде с гексадеканом.

м.м.=342 м.м.17 м.м.32 м.м.=24,28 м.м.=858 м.м.=44 м.м.=18

Под брутто-формулой обозначен нейтральный триацилглицерид (липидная часть биомассы), в котором два ацильных остатка олеиновой кислоты ( и один – пальмитиновый . Выход биомассы дрожжей – 60% к потребленному парафину, содержание липидов в сухих дрожжах – 20%.