Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 351

следний состоит из катода 1 и анода 4. Катод выполнен из платиновой про-

волоки диаметром 1 мм, впаянной в стеклянный капилляр; анод представляет

собой трубку из серебра с полированной наружной поверхностью. На корпус

надета полимерная мембрана 2 толщиной от 10 до 30 мкм, которая крепится

резиновым кольцом 3 и защищается втулкой 11. Между корпусом и блоком

электродов заливается раствор электролита 13. Корпус ячейки соединен гай-

кой 7 через прокладку 6 с втулкой 5. На корпусе крепится кольцо, которое

обеспечивает возможность герметичной установки датчика в сосуде со стан-

дартным шлифом 8. Защита ячейки при транспортировке осуществляется с

помощью патрона 12. В преобразователе имеется стабилизированный источ-

ник постоянного тока, от которого на ячейку накладывается напряжение для

осуществления полярографического способа измерения. Для каждой восста-

новленной на катоде молекулы имеет место соответствующая окислительная

реакция на аноде, которая является причиной деградации анода и расхода

электролита. Оба этих процесса неизбежно приводят к дрейфу показаний и

занижению результатов.

В связи с этим представляют интерес датчики, основанные на люми-

несцентном излучении вещества люминофора, что сводит измерение концен-

трации кислорода к чисто физическому фиксированию интервала времени.

Данное явление определяется как способность определенных материалов

(люминофоров) испускать излучение не в результате нагрева, а в результате

возбуждения иного рода. Поскольку процесс измерения времени в принципе

не подвержен дрейфу, датчик

не требует регулярной калибровки и обслу-

живания.

Концентрация CO

и других отходящих газов также определятся по

температуропроводности газов в специальных газовых анализаторах. Прин-

цип движения газа в анализаторе представлен на рис. 7.5

. Входящий воздух

при помощи насоса отправляется в холодильник, который обеспечивает ос-

вобождение воздуха от содержащейся в нем влаги. Конденсат выводится из

прибора. Попадание влаги на детекторы может привести к поломке прибора.

Использование дополнительного насоса позволяет также поддерживать по-

стоянную скорость протока воздуха, что необходимо для обеспечения вос-

производимости получаемых результатов. После подготовки воздух направ-

ляется в измеряющие ячейки. Так как зачастую необходимо получать данные

не с одного, а с нескольких аппаратов, предусмотрено использование для

этих целей «распределитель» каналов.

Автоматический химический анализатор BioProfile 400 анализирует

в реальном времени основные питательные компоненты и метаболиты.

Этот многоканальный анализатор позволяет измерять десять параметров,

включая глюкозу, лактат, глютамин, глютамат, аммоний, рН, РО

, РСО

, на-

трий, калий.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 352

Рис. 7.5. Схема движения газа в анализаторе

Результаты анализов сообщаются менее чем через 3 мин. Прибор может

использоваться вместе с дополнительным компонентом On-Line Autosampler для

автоматического одновременного анализа параметров с четырёх биореакто-

ров. Результаты измерений представляются на дисплее и распечатываются на

встроенном принтере. Прибор включает потенциометрические электроды

(в измерениях pH, PCO

, NH

+, Na+, K+), биосенсоры для глюкозы, лактата,

глютамина и глютамата – это амперометрические электроды, в мембране ко-

торых содержатся иммобилизованные ферменты.

Измерение концентрации микроорганизмов в культуре. В технической

микробиологии концентрацию микроорганизмов выражают как плотность

микробной популяции, т.е. концентрацию жизнеспособных клеток в единице

объема культуральной жидкости. Одним из методов определения плотности

популяции микроорганизмов является подсчет количества колоний при вы-

севе на плотные питательные среды. Для автоматического подсчета колоний

бактерий на чашках Петри создан прибор «Биоматик» фирмы Фосс-Электрик,

который состоит из измерительного устройства с телекамерой, монитора с

телевизионным экраном и блока счета и регистрации результатов. Чашки

Петри без крышек размещают под объективом прибора. Изображение анали-

зируемой поверхности развертывается электронным пучком. Каждый раз, ко-

гда электронный пучок пересекает частицу, изменяется сила тока, что фикси-

руется блоком счета и регистрации результатов. Максимальный диаметр

подсчитываемых колоний до 0,15 мм. Относительная погрешность счета до

±5 %. Прибор позволяет подсчитывать колонии бактерий до 180 чашек Петри

в течение часа.

Проведенные исследования показали, что оптически прозрачные среды

позволяют использовать метод контроля, основанный на деформации свето-

вой энергии в клеточной суспензии. Он заключается в измерении интенсив-

ности светового потока, прошедшего через слой жидкости. Оптическая плот-

ность контролируется фотоэлектрическим прибором общепромышленного

назначения. Измерения проводят при определенной длине светового потока.

Перспективными инструментальными методами контроля концентрации

микроорганизмов в жидкости являются методы дисперсионного анализа кле-

ток (кондуктометрический и оптический). Указанные методы позволяют кон-

тролировать не только общее количество клеток, но и их распределение по

размерам, что по существу является обобщенным морфолого-физиологическим

портретом популяции.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 353

Биологические датчики представляют собой сочетание разнообразных

биологических материалов, способных различать молекулы биологических

тел (к числу таких материалов можно отнести ферменты, микроорганизмы,

антигены и антитела, лигандовые рецепторы, пробы RNA и DNA и т.д.) с фи-

зико-химическими устройствами.

В настоящее время существует несколько типов биосенсоров, отли-

чающихся прежде всего принципами детекции хода ферментативной реак-

ции. Это ферментные электроды, ферментные микрокалориметрические дат-

чики и биодатчики на основе хеми- и биолюминесценции.

Ферментные электроды используют электрохимический способ опре-

деления веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Они

представляют собой электроды с нанесенным поверхностным слоем (каким-

либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизо-

ванных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом со-

стоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной).

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой

эффект ферментативной реакции, состоят они из двух колонок (измеритель-

ной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным фермен-

том и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную

колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая

сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков

интересен своей универсальностью.

Хеми- и биолюминесцентные датчики регистрируют световое излуче-

ние с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной

реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкционно они

включают колонку с иммобилизованными на носителе ферментами (люци-

феразой, пероксидазой) и светоприемное устройство. Заложенный в систему

этого типа датчиков аналитический метод характеризуется прежде всего

крайне высокой чувствительностью.

Большие перспективы для аналитических и диагностических целей

имеют биологические микрочипы – миниатюрные устройства для проведе-

ния различных биохимических анализов. Это микропластинки с нанесенны-

ми на них с большой частотой включений реакционноспособных агентов,

способных взаимодействовать с теми или иными веществами в составе ана-

лизируемых образцов.

Для измерения технологических параметров процессов ферментации в

производственных установках, как правило, используют термопары и термо-

метры сопротивления: платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Чувствительные

элементы (из платиновой или медной проволоки) заключены в защитный па-

трон из нержавеющей стали.

Давление и разряжение измеряют датчиками с чувствительным элемен-

том из одновитковой или многовитковой трубчатой пружины, а также силь-

фонными с чувствительным элементом из тонкостенных гофрированных

сильфонов. Чувствительные элементы датчиков имеют застойные зоны, ко-

торые не промываются, поэтому их используют в комплекте со специальны-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.2. Элементы контроля и управления в биотехнологии

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 354

ми разделительными устройствами типа РМ, предохраняющими чувстви-

тельные элементы от попадания измеряемой среды. Упругим элементом раз-

делительного устройства типа РМ служит мембрана, прогибающаяся про-

порционально измеряемому давлению и передающая через разделительную

среду чувствительному элементу – датчику давления.

В условиях асептических производств лучшими дозирующими насо-

сами являются перистальтические и мембранные.

Принцип действия индукционного расходомера основан на измерении

ЭДС, индуктируемой в электропроводной жидкости. Величина ЭДС пропор-

циональна скорости потока жидкости.

Наличие пены, интенсивное перемешивание не позволяют применять

обычные методы измерения уровня. В этой связи целесообразно применять

весовой тип уровнемера, в котором датчики, фиксирующие массу аппарата,

передают свой сигнал на прибор, отградуированный в единицах уровня. Для

сигнализации предельного уровня в резервуарах применяют кондуктометри-

ческие приборы.

Первые работы по составлению материального баланса роста популя-

ций клеток основаны на применении закона сохранения вещества по каждо-

му химическому элементу к метаболизму. Получаемые уравнения аналогич-

ны уравнениям элементного баланса химических реакций. Например, урав-

нение для алкогольной ферментации глюкозы записывалось в виде

→ 2СН

СН

ОН + 2СО

(7.1)

Последующее развитие этого подхода привело к выводу ряда уравне-

ний для ассимиляции субстрата клетками, где внутриклеточный продукт

первичной ассимиляции в большинстве случаев считался углеводами и обо-

значался как СН

О, например:

(Ацетат) 2СН

СООН + 3О

→ (СН

О) + 3СО

+ 3Н

О (7.2)

(Сукцинат) С

+ 2,5O

→ (CH

O) + 3CO

+ H

Ощутимый шаг в развитии теории материального баланса сделал Та-

мия в 1932 г. Он использовал вместо СН

О точный элементный состав клеток

160

) – другие элементы отбрасывались ввиду их малого содержа-

ния в биомассе. Состав биомассы и субстрата был выражен им в общем виде

(7.3)

. Он сформулировал уравнения материального баланса для образования

биомассы клеток из вещества субстрата в процессе клеточного дыхания. Эти

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.3. Основы материально-энергетического баланса микробного роста

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 355

уравнения написаны по отдельности для случаев, когда субстрат имеет более

высокую или меньшую восстановленность, чем биомасса, а также для случа-

ев, когда источником азота служит аммиак или нитрат. Вместо восстанов-

ленности использован параметр, названный коэффициентом сгорания. На-

пример, для субстратов, имеющих меньшую чем биомасса восстановлен-

ность, образование биомассы и окисление субстрата в процессе дыхания за-

писаны в виде

S·Сn

+ N·NH

= Сn

СВ

Нn

Оn

+ С СО

; + WН

s·Cn

ОS

+ о·О

= с·СО

+ w H

О (7.3)

Здесь n – числа атомов элементов, помеченные индексами соответствующих

элементов, а также буквами S или В для субстрата и биомассы; CQ = с/о – ко-

эффициент сгорания, который был получен из (7.3)

и представлен в виде

CQ = n

/ (4n

+ n

− 2n

). (7.4)

Или для азотсодержащих субстратов состава Cn

, где

продуктом биологического окисления является аммиак, из (7.4)

получено

выражение в виде

CQ = n

/ (4n

+ n

− 2n

− 3n

). (7.5)

В ранних работах отсутствовал анализ роста как единого процесса, где

совмещены дыхание и образование биомассы.

Дальнейшие исследования в этой области привели к уравнениям эле-

ментного баланса роста микробных культур как единого процесса, вклю-

чающего и образование биомассы и генерацию энергии для этого. Состав

биомассы и стехиометрические коэффициенты стали определять экспери-

ментально. Например, для роста на этаноле получено уравнение

СН

ОН + 1,82О

+ 0,15NH

= 1,03CH

1,72

0,44

0,15

+ 0,97CО

+ 2,31H

О (7.6)

Вышеописанные работы по элементному балансу микробного роста

показали, что законы сохранения вещества определяют связи между потреб-

лением веществ в метаболизме и продуктами роста. Однако в них не была рас-

крыта связь между элементным составом и биологически доступной энерги-

ей веществ – участников процесса роста.

Эта связь вытекает из самого определения величины выхода как отно-

шения удельной скорости роста к удельной скорости потребления субстрата.

Другой важный аспект такой зависимости, отражающей глубокие физиоло-

гические и биоэнергетические свойства метаболизма клеток, заключается в

распределении потребленного субстрата на две части (используемые на рост

их биомассы и поддержания существующей биомассы). Общая масса по-

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.3. Основы материально-энергетического баланса микробного роста

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 356

требленного субстрата как источника энергии для роста разделяется на два

слагаемых: ∆S = ∆S

+ ∆S

, где индексы g и m означают, соответственно,

рост и поддержание. Деление обеих частей на прирост биомассы ∆Х с учетом

∆Х = µX∆t позволило получить

1/Y

X/S

= 1/Y

X/S

+ m

/µ, (7.7)

где Y

X/S

= ∆X/∆S

– выход роста биомассы из субстрата; m

= ∆S

/∆t – удель-

ная скорость затрат субстрата на поддержание клеток, г субстрата на г суще-

ствующей биомассы в час, т.е. ч

-1

Умножение (7.7)

на удельную скорость роста µ дает:

= µ/ Y

X/S

+ m

. (7.8)

Аналогично, для кислорода как субстрата:

= µ/ Y

X/0

+ m

, 1/Y

X/0

= 1/Y

X/0

+ m

/µ. (7.9)

и выхода биомассы из образованной ATP:

1/Y

X/ATP

= 1/Y

X/ATP

+ m

ATP

/µ. (7.10)

Величина m

ATP

более близка к клеточной биоэнергетике, чем m

и m

поскольку характеризует скорость затрат переносчика энергии (ATP) на под-

держание клеток.

Существующие затраты на поддержание клеток пропорциональны

удельной скорости роста:

= m

+ m

µ. (7.11)

Это говорит о природе и о регуляции процессов круговорота вещества

в живой клетке. Подстановка (7.11)

в (7.7) и (7.8) дает следующий вид этих

соотношений:

1/Y

X/S

= 1/Y

X/S

+ m

/µ, q

= µ/ Y

X/S

+ m

, 1/Y

X/S

= 1/Y

X/S

+ m

, (7.12)

где Y

X/S

– «максимальный» выход биомассы, достигаемый при удельной

скорости роста много большей, чем m

Параметры Y

X/S

и m

определяются по результатам экспериментов.

Проводят серию стационарных режимов непрерывного роста культуры при

разных значениях µ. Получаемая линейная зависимость 1/Y

X/S

(1/µ) или q

(µ)

обрабатывается с использованием (7.12)

, что позволяет найти Y

X/S

и m

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.3. Основы материально-энергетического баланса микробного роста

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 357

Выделение затрат того или иного субстрата на поддержание клеток,

расчет µ – зависимой компоненты этих затрат и разработка вышеприведен-

ных выражений, описывающих влияние скорости роста на выход биомассы и

скорость потребления этого же субстрата, явились важным продвижением в

области баланса и кинетики роста клеточных популяций. Однако представ-

ленные выражения не описывают полный материальный баланс роста попу-

ляции. Связь величин m

и m

с энергией количественно не подтверждена

(затраты энергии субстрата на поддержание клеток), но не выражена явно.

Такую связь отражает величина m

ATP

. Но ни одна из величин Y

X/S

, Y

X/S

X/ATP

не выражена через энергосодержание субстрата.

Рост популяций микроорганизмов имеет два количественных аспекта,

тесно связанных между собой – стехиометрический и кинетический. Кинети-

ка есть совокупность закономерностей, определяющих зависимость скоро-

стей метаболических процессов от свойств самого объекта и факторов внеш-

ней среды, влияющих на него. Стехиометрические закономерности опреде-

ляют соотношение между этими скоростями.

Входящие в метаболизм клеток потоки перераспределяются, вещество

органического субстрата попадает не только в биомассу, но и в продукты ме-

таболизма, энергия субстрата не только включается в биомассу, но и рассеи-

вается в виде тепла. В случае двух химических реакций, использующих один

и тот же субстрат, отношение расходящихся потоков не представляет интере-

са, так как легко находится, если известны зависимости обеих скоростей от

условий среды. В метаболизме имеет место иная картина. Чисто линейные

участки в нем практически не встречаются, он представляет собой большую

сеть из переплетающихся реакций, связанных стехиометрическими и регуля-

торными кинетическими связями.

Эксперименты по культивированию микроорганизмов указывают на то,

что какой-то из больших метаболических потоков, например от органическо-

го субстрата в биомассу, может быть ведущим, а остальные привязаны к не-

му и через него зависят от внешней среды. Важным фактором, определяю-

щим соотношение скоростей входящих и выходящих потоков, являются свя-

зи и ограничения, определяемые законом сохранения вещества и законами

термодинамики. Они образуют жесткие физико-химические рамки, внутри

которых действует кинетика и которые в значительной степени ответственны

за определенность свойств биологического объекта. Задача заключается в

выявлении физико-химических основ стехиометрии роста микробных попу-

ляций и максимальном использовании этих закономерностей в исследовани-

ях эффективности и скорости роста микроорганизмов на различных источни-

ках вещества и энергии в различных условиях.

Исследование баланса вещества и энергии при росте популяций микро-

организмов включает в себя следующие аспекты: количественные соотноше-

ния между различными стехиометрическими коэффициентами, описываю-

щими распределение потоков вещества в метаболизме; взаимосвязь балансов

вещества и энергии при росте микробных популяций; механизмы влияния

среды и характеристик клеточного метаболизма на эффективность и скорость

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.3. Основы материально-энергетического баланса микробного роста

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 358

роста; максимальная достижимая эффективность роста популяций на различ-

ных субстратах; использование найденных закономерностей в исследова-

тельской и технологической практике.

Распространенная форма записи стехиометрии химической реакции и

их множества такова, что субстраты (расходуемые вещества) стоят в левой

части уравнения, а продукты (образуемые вещества) в правой [3]. Например,

реакция превращения 3-фосфоглицеринового альдегида в пировиноградную

кислоту, состоящая из ряда стадий, имеет вид

РО

–ОСН

– СНОН– СНО + NAD

+ 2ADP) + Р

= СН

–СО–СООН + 2АТР + Н

О + NADH + Н

(7.13)

В общем виде стехиометрическое уравнение можно записать как

ii JJ

= =

ν=ν

∑∑

. (7.14)

Здесь 1 < i < I и 1 <j <J – отдельная нумерация для субстратов S

и продук-

тов Р

, а соответствующие стехиометрические коэффициенты ν

(для суб-

стратов) и ν

(для продуктов) все положительны.

Такая форма записи обладает громоздкостью, которая видна при иссле-

довании множеств химических реакций. Одно и то же вещество может тогда

быть субстратом в части реакций и продуктом в других. Чтобы избежать из-

лишней сложности, все участники реакции переносятся в левую часть урав-

нения, нумеруются одной общей нумерацией, а коэффициенты считаются от-

рицательными для субстратов (это символизирует их убыль) и положитель-

ными для продуктов. Тогда обобщенное стехиометрическое уравнение хими-

ческой реакции имеет вид

+ v

+ … + v

= 0 (7.15)

или, в более компактной форме:

ν=

∑

, (7.16)

где k – номер реагента (субстрата или продукта); S

– символическое обозна-

чение k-го реагента; v

– стехиометрические коэффициенты; К – общее число

реагентов.

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.4. Элементный баланс роста микробных культур

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 359

Стехиометрические коэффициенты любой реакции связаны между со-

бой законом сохранения вещества, который соблюдается для каждого хими-

ческого элемента, входящего в состав реагентов. Еще одну связь добавляет

закон сохранения электрического заряда, если в реакции участвуют ионы.

Стехиометрические уравнения могут относиться и к совокупности ре-

акций. Превращение глюкозы в фруктозо-1,6-дифосфат происходит без из-

менения числа атомов углерода в молекуле. Затем происходит расщепление

на два трехуглеродных фрагмента, и поэтому число молекул, превращаю-

щихся из 3-фосфоглицеральдегида в пируват, а затем в этанол, вдвое больше,

чем число прореагировавших молекул глюкозы. Учитывая последнее об-

стоятельство, сложение стехиометрических уравнений всех реакций дает

итоговое уравнение так называемой брутто-реакции:

(глюкоза) + 2АДР = 2С

O(этанол) + 2СО

+ 2АТР (7.17)

При этом предполагается, что движение вещества по всему пути про-

исходит жестко – сколько молекул, например, фруктозо-1,6-дифосфата обра-

зовалось, столько же и употребилось в следующей реакции, и не происходит

ни накопления, ни истощения пула каждого интермедиата (промежуточного

метаболита). В действительности же в любом метаболическом пути все пулы

«дышат», концентрации интермедиатов испытывают колебания, либо перио-

дические, либо случайные, либо то и другое одновременно. Поэтому стехио-

метрия, описываемая брутто-уравнением типа (7.17)

, справедлива, если рас-

сматриваются количества вещества, прошедшие по данному пути за доста-

точно большое время, например, значительно превышающее период колеба-

ний интермедиатов. Тогда, поскольку концентрации интермедиатов ограни-

чены, количество вещества, прошедшее через весь метаболический путь,

значительно превышает количество вещества, остающееся в промежуточных

соединениях.

Вышесказанное позволяет рассматривать рост биомассы и образование

продуктов метаболизма как большую брутто-реакцию. Ее балансирование по

химическим элементам и, если нужно, по электрическому заряду, дает воз-

можность найти связи между различными стехиометрическими коэффициен-

тами при росте клеточных популяций. Этот подход явился стартовой позици-

ей [2

] для разработки новых принципов и расчетных методов материально-

энергетического баланса роста клеточных популяций. Задача баланса своди-

лась к следующему. Имеется несколько величин, характеризующих эффек-

тивность роста микроорганизмов. В простейшем случае аэробного роста, ко-

гда образование органических продуктов незначительно или вообще отсутст-

вует, это два коэффициента – Y

X/S

– выход биомассы из органического суб-

страта, водорода и т.д. и Y

Х/O

– выход биомассы из потребленного кислорода.

Субстрат является источником вещества и энергии для роста, а кислород свя-

зан с процессом извлечения клетками энергии из субстрата для использова-

ния в метаболизме при преобразовании субстрата в биомассу. Поэтому каж-

дый из двух выходов представляет интерес. Возникает вопрос о взаимосвязи

ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ В БИОТЕХНОЛОГИИ

7.4. Элементный баланс роста микробных культур

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 360

этих величин. При наличии такой связи можно ограничиться изучением од-

ной из них, а именно, той, которую легче измерять, а другую при необходи-

мости вычислять из первой.

В связи с этим интересен элементный баланс для весьма распростра-

ненного в природе и биотехнологии процесса – гетеротрофного аэробного

роста микроорганизмов, когда в качестве источника азота используется ам-

миак. Этот случай интересен также потому, что азот в NН

находится в том

же электронном состоянии, в котором находится почти весь азот биомассы.

Элементный состав сухого вещества биомассы, состав органического суб-

страта и возможного органического продукта в общем виде записывается

следующим образом: СН

(субстрат), СН

(биомасса), СН

(про-

дукт).

Углерод органического субстрата расходится в трех направлениях –

в биомассу, в органический продукт (если он образуется) и в СО

. Выходы

(по углероду) биомассы и продукта – у

х/s

и у

р/s

. Каждая из этих величин есть

доля углерода субстрата, включенная в вещество биомассы и продукта. То-

гда процесс преобразования вещества субстратов при росте культуры с по-

зиции перераспределения атомов химических элементов записывается в

следующем виде:

СН

+ аNН

+ bO

= Y

Х/S

СН

+ Y

P/S

СН

+ (1 – у

x/s

– y

p/s

)СО

+ сН

О. (7.18)

Значения у

х/s

и у

p/s

не фиксированы. В зависимости от микроорганизма

и условий культивирования они могут меняться в пределах от нуля до неко-

торого максимума.

В уравнении (7.18) присутствуют пять коэффициентов: а, b, с, у

х/s

, y

p/s

Имеются четыре условия сохранения числа атомов химических элементов С,

Н, О, N, из которых условие для углерода уже учтено. Остальные условия

дают выражение а, b, с через С и y

p/s

a = Y

P/S

q + Y

P/S

t; (7.19)

b = ¼ (γ

− Y

P/S

− Y

P/S

); (7.20)

с = m/2 + γ

X/S

(3q − p)/2 + γ

P/S

(3t − r)/2; (7.21)

= 4 + m – 21; (7.22)

= 4 + p –2n – 3q ; (7.23)

= 4 + r – 2s – 3t. (7.24)

Величины γ

, γ

играют важную роль в материально-энергетическом

балансе микроорганизмов и живой материи. Они являются мерой восстанов-

ленности углерода, соответственно, органического субстрата, биомассы и

органического продукта. Это можно видеть из правых частей уравнений

(7.22)–(7.24), учитывают число атомов С, Н, О, N в составе каждого вещест-

ва: 4 – число электронов внешней оболочки атома углерода, каждый атом во-