Расчет стехиометрии процесса культивирования аэробных микроорганизмов

При разработке настоящей методики приняты следующие допущения:

  • 1. Метаболическая система клетки находится в стационарных условиях, т.е. величина пулов макроэргических соединений не меняется.
  • 2. Скольжением в цепи окислительного фосфорилирования можно пренебречь.
  • 3. Распределение потоков энергии в живой клетке может быть оценено в соответствии с общепринятым постулатом Стоутхамера-Пирта об аддитивности затрат на поддержание жизнедеятельности и рост клетки.
  • 4. Вследствие того, что культивирование микроорганизмов с целью получения продукции микробного синтеза проводится практически в постоянных физико-химических условиях, можно считать производство энергии в клетке зависящим лишь от внутреннего биохимического механизма преобразования молекулы субстрата; влиянием на указанный процесс незначительного изменения внешних условий можно пренебречь.
  • 5. Жидкая фаза в лабораторном биореакторе рассматривается как гомогенная среда; различием между внутри- и внеклеточными концентрациями веществ пренебрегаем.
  • 6. Режим потока в лабораторном биореакторе близок к идеальному перемешиванию (концентрации веществ в любой точке рабочего объема одинаковы).

В качестве энергетического обмена аэробных гетеротрофов условно принято выделять совокупность процессов, приводящих в итоге к полному окислению органического субстрата до углекислого газа и воды. Однако, производство энергии в клетке может осуществляться и за счет продуктного обмена - трансформации субстрата до экзометаболитов.

Перестройка молекулы субстрата, взятая условно сама по себе в отрыве от энергетического обеспечения, до уровня сложности биологических полимеров, составляющих микробную массу, отнесена в соответствии с общепринятыми биофизическими подходами к пластическому обмену.

Под конструктивным обменом будем понимать совокупность процессов пластического обмена и части энергетических процессов, обеспечивающих энергией протекание биосинтеза.

Стехиометрия процесса роста продуцента и биосинтеза целевого продукта

Материальный баланс процесса роста микроорганизмов может быть представлен системой уравнений образования и расхода макроэргических соединений (например, пересчитанных на АТФ). Метаболические блоки представляют собой совокупность биохимических реакций, сбалансированных по всем веществам, кроме носителей энергии. Эти блоки удачно названы парциальными обменами И.Г. Минкевичем и В.К. Брошиным [3]. К ним относятся: преобразование субстрата в биомассу (пластический обмен), в органический продукт (продуктный обмен), полное окисление органического субстрата (энергетический или дыхательный обмен).

Существенное упрощение формы записи стехиометрических соотношений может быть получено при приведении (пересчете) формул всех углеродсодержащих веществ (составов) к одному атому углерода.

Уравнение энергетического обмена представим в виде:

Ps ' CHqOr + Д91 • 02 + АДФ

ДС1С02 + рнх • Н20 + АТФ

где: АТФ - пересчитанное на число молей АТФ суммарное количество энергии, запасаемое в клетках в форме МЭС и трансмембранного потенциала и доступное для последующего использования в биохимических процессах.

Запишем уравнения поэлементного баланса для атомов углерода, водорода и кислорода с учетом образования Es молей АТФ при окислении 1 моля субстрата:

С: Psi ~ Pci =

Н: q psl=2-PH1

О: г • Psi + 2 • р01 = 2 • рС1 + рН1

Откуда: Рох = (2-Дсх + Рнх Psl)/2 = (2 + q/2-r)/(2-Es).

Поскольку ys = (4 • р + q - 2 • г) / р, получаем следующие выражения для стехиометрических коэффициентов:

Д1=1/Е5, Рох = /(4 • Es), Pcx=/Es, PHX=q/{2-Es}

Пластический обмен (преобразование вещества субстрата в биополимеры клетки без учета затрат дополнительной энергии), может быть описан уравнением:

pS2CHqOr + fiO2-O2 + /3N2NH2 + Ex-AT^

CHbNcOdН22О + ЕХ ? АДФ

Выразим затраты кислорода через разность степеней восстановленности субстрата и биомассы. Для этого запишем уравнения элементного баланса по углероду, водороду, кислороду и азоту:

С: &2=1

Н: q? Psi + 3'Pni = b + 2-fiH2

О: г ps2 + 2 • р02 = d + РН2

N: 0N2=c

Тогда, из уравнения баланса числа атомов водорода, подстановкой значений стехиометрических коэффициентов Psi =1 и hl=c получаем: рн2 = (q + 3-c-b)/2 и далее из баланса числа атомов кислорода следует: Pol = [d + (g + 3- c-b)/2-r]/2, или

Pol = (q-2'r + 2-d + 3-c-b)/4.

Поскольку

Ys ~7х = (4 + #- 2-r)-(4 + b- 3- c- 2-d) = q-2-г + 2- d + 3- c-b, то получаем:

Ps2=^ 002 =(/s ~ YxV 0N2~C’’> 0H2=(q + ^'c~b)/2.

Конструктивный обмен (синтез биомассы) может быть описан путем энергетического сопряжения уравнения образования макроэргических соединений (3.1) и их расхода в процессе биосинтеза, пропорционального образованию новой биомассы в соответствии с уравнением (3.2). Соответственно сказанному, сложим уравнения (3.1) и (3.2): (?x/?i+l)C^Or+[ExY5/(4Es)+(Y5-Yx)/4](%+c-^^ CHNcOd +(ЕХ/ЕУСО, +[?х ? ?/(2- Е5)+(9+Зс-Ь)/2]- Н2О " ' ’

Продуктным обменом (синтезом органических экзометаболитов) в условиях нелимитированного роста биомассы микроорганизмов можно пренебречь. Именно такие условия характерны для процессов производства микробного белка, наработки посевных культур дрожжей и бактерий в аэробных условиях. Но при проведении реальных процессов это условие необходимо каждый раз проверять.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >