1 / 28

Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

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

roana
Download Presentation

Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  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.

More Related