Стехиометрия процессов культивирования микроорганизмов

Если в результате химического взаимодействия реагентов А и В образуются продукты С и D и выделяются тепло ∆Н, то можно с учетом стехиометрических коэффициентов ν_А, ν_В, ν_C, ν_D и ν_Н можно записать стехиометрическое уравнение реакции:

ν_АА + ν_ВВ = ν_CС + ν_DD + ν_Н ∆Н (2.6)

Определенные значения стехиометрических коэффициентов отражают закон сохранения материи: количество атомов элементов, составляющих вещества А,В,С и D, не должно изменяться в процессе превращения веществ.

Действие закона сохранения энергии в биологии приводит к перегруппировке макро- и микроэлементов. Такая перегруппировка предполагает, что общее количество углерода, азота, фосфора, водорода, кислорода, металлов и др. элементов, включенное в структурные компоненты клетки (ядро, клеточную стенку, митохондрии, др.), внутри- и внеклеточные вещества (АТФ, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, эндо- и экзоферменты, антибиотики), равно количеству этих элементов, потребленных из питательной среды.

Схематическое представление процесса культивирования микроорганизмов представлено на рис. 2.3.

Субстраты

Система культивирования

микроорганизмов

Рис. 2.3 – Схема процесса культивирования микроорганизмов

Стехиометрическое уравнение для ферментативной реакции превращения субстратов (S) в продукты (Р) и биомассу (Х) в процессе культивирования можно записать следующим образом (квадратные скобки традиционно обозначают концентрации веществ, в данном случае различных субстратов):

ν_С [углеродный субстрат] + ν_N [азотный субстрат] + ν_Ф [фосфорный субстрат] + ν_О2 [кислород как субстрат] =

ν_Х [биомасса] + ν_Р [продукт метаболизма] + …+ ν_СО2 [СО₂] + ν_Н2О [Н₂О] + ν_Н ∆ Н (2.7)

В процессах культивирования биомасса (Х) накапливается как продукт реакции; она же в качестве инокулята является важнейшим исходным реагентом, от ферментативной (катализирующей) активности которого зависит протекание реакции. Поэтому правильнее было бы показать биомассу в качестве субстрата с коэффициентом ν_Х , а в качестве продукта с коэффициентом (ν_Х+1). Однако количество инокулята принимается пренебрежимо малым в сравнении с количеством биомассы, накопленной в процессе культивирования.

Реакции, в которых продукт является катализатором реакции, называются автокаталитическими.