1.5. Теоретические вопросы для самоподготовки

1. Изолированные, закрытые и открытые системы.

2. Равновесные и неравновесные процессы.

3. Состояние равновесия, стационарное состояние.

4. Первое начало термодинамики, применимость к открытым системам.

5. Опыты по прямой и непрямой калориметрии.

6. Второе начало термодинамики, применимость к открытым системам.

7. Понятие о нескомпенсированной теплоте.

8. Основной постулат термодинамики открытых систем.

9. Первая теорема Пригожина.

10. Зависимость энтропии от времени.

11. Формализм понятия «негэнтропия». Критика теорий Больцмана, Шредингера.

12. Термодинамическое обоснование возможности сосуществования тендемных процессов.

13. Неравенство де Донде.

14. Теория Анзагера (линейная термодинамика неравновесных процессов).

15. Вторая теорема Пригожина (вывод предпосылок).

16. Состояние равновесия, стационарное состояние.

17. Термодинамическое описание стационарного состояния биотехнологических систем.

18. Расчет энергии Гиббса для реакций, протекающих в реальных растворах. Введение поправок на частичную диссоциацию кислот, вывод формулы.

19. Расчет энергии Гиббса для реакций, протекающих в реальных растворах. Расчет энергии Гиббса для случая реакции аниона, вывод формулы.

20. Термодинамика открытых систем вдали от состояния термодинамического равновесия.

2. Стехиометрические расчеты биотехнологических процессов

Стехиометрические расчёты биологических процессов имеют не только теоретическое, но и большое практическое значение. На основе стехиометрических закономерностей может быть составлен материальный баланс основной стадии процесса – ферментации или ферментативного превращения, а затем может быть построен и тепловой баланс. Эти расчёты являются базой для проектирования промышленных производств.

С теоретической точки зрения интересным представляется вопрос об энергетической эффективности потребления субстратов клетками микроорганизмов и оценка на этой основе целесообразности осуществления тех или иных процессов. Хотя прямые расчеты изменения свободной энергии в микробиологических процессах затруднены из-за отсутствия сведений о свободной энергии биомассы и многих продуктов, ряд выводов может быть сделан уже на основе общих термодинамических расчётов.

В данном разделе рассмотрено практическое приложение законов стехиометрии и термодинамики к популяциям клеток как системам более сложного уровня по сравнению с ферментативными биохимическими реакциями, которым был посвящен предыдущий раздел настоящего пособия.

2.1. Стехиометрия и материальный баланс микробиологических процессов

Любой процесс может быть описан стехиометрическим уравнением, связывающим количества исходных веществ и продуктов. Стехиометрическое уравнение любого химического процесса представляет собой равенство, в левой и правой частях которого массы различных веществ суммируются таким образом, что бы число грамм-атомов любого элемента слева или справа от знака равенства совпадало.

Стехиометрическое уравнение простой химической реакции имеет вид:

, (2.1)

где ν_i; ν_i – стехиометрические коэффициенты в рассматриваемой реакции;

I_i – исходные вещества;

P_j – продукты.

Эта зависимость с учётом закона сохранения массы может быть представлена следующим образом:

, (2.2)

где ν_i – стехиометрический коэффициент i-го компонента в рассматриваемой реакции;

M_i – молекулярная масса i-го компонента.

При этом стехиометрические коэффициенты учитывают количество молей каждого из веществ, вступающих во взаимодействие или образующихся в его результате, при этом коэффициенты продуктов считают положительными, а веществ, вступающих во взаимодействие – отрицательными.

Эта зависимость для общего случая микробиологических процессов, когда популяция микроорганизмов растёт за счёт потребления основного субстрата (источника углерода) и вспомогательных веществ, выделяя при этом ряд продуктов, может быть представлено следующим образом:

, (2.3)

где S_i – питательные вещества (субстраты, компоненты субстрата);

АСБ – абсолютно сухая биомасса;

P_i – продукты.

Следует отметить, что состав биомассы микроорганизмов (АСБ) определяется природой микроорганизмов, компонентами питательной среды, а также условиями процесса культивирования.

В среднем АСБ дрожжей содержит по массе 46,0 % углерода, 6,8 % водорода, 8,8 % азота, 33,1 % кислорода и 5,3 % остальных элементов. Элементарный анализ бактерий даёт среднее содержание по массе углерода 48,2 %, водорода 7,2 %, азота 9,7 %, кислорода 27,4 %, остальных элементов 7,5 %. Разница элементного состава объясняется тем, что бактериальная биомасса содержит, как правило, больше белковых веществ и нуклеиновых кислот.

Описанные данные массового состава микроорганизмов можно представить в виде брутто-формулы с использованием массовых долей основных элементов в АСБ:

• дрожжи  ;

• бактерии  .

Данные брутто-формулы биомассы можно пересчитать в мольное отношение элементов из расчёта на 1 атом углерода:

• дрожжи  ;

• бактерии  .

При составлении материального баланса получения АСБ (или продуктов биосинтеза) следует учитывать отличия стехиометрических зависимостей биологических процессов от обычных химических реакций. Они связаны с тем, что любая живая клетка осуществляет одновременно совокупность параллельно протекающих процессов (анаболических и катаболических), которые отражают особенности её метаболизма.

Анаболические процессы приводят к биосинтезу всех структур клетки и некоторых важных продуктов, но в основе своей эти реакции – эндэргонические (G 0). Это обстоятельство вынуждает клетку одновременно вести катаболические процессы, которые являются экзэргоническими (G  0) и, протекая совместно с анаболическими реакциями, делают возможным их осуществление.

Таким образом, анаболический процесс можно представить в виде схемы:

, (2.4)

где Р_j – побочные проду5кты биосинтеза, не содержащие углерод.

Соответственно, уравнение катаболизма имеет вид:

, (2.5)

где Р_j –продукты катаболического распада субстрата (при катаболизме накопление АСБ не происходит).

При описании стехиометрических уравнений на первом этапе рассматривают катаболические (2.5) и анаболические (2.4) процессы, а по их сумме составляют брутто-уравнение (2.3) микробиологического процесса.

Для составления стехиометрического уравнения культивирования микроорганизмов необходимо знать не только состав потребляемых исходных веществ, элементный состав биомассы и состав образующихся в заданном режиме продуктов, но и количественные характеристики процесса, в качестве которых используют расходные коэффициенты.

Расходные коэффициенты – это обычно величины, показывающие необходимый расход питательных субстратов для получения единицы биомассы (отношение масс потреблённых компонентов питательной среды к приросту биомассы). На практике при расчётах обычно используют обратную величину, которую называют экономическим коэффициентом (Y) – отношение прироста биомассы (Δx) к единице потреблённого субстрата (ΔS_i):

[г/г], (2.6)

где Δx – разница между конечной и начальной концентрациями биомассы по сухому весу (АСБ), г;

ΔS_i – разница между начальной и конечной концентрациями субстрата в питательной среде (зачастую рассматривают только изменение концентрации источника углерода), г.

Иногда пользуются такой характеристикой процесса, как выход биомассы, который представляет собой отношение прироста биомассы к единице внесённого в питательную среду субстрата. Однако, для составления материального баланса с использованием этого показателя, также необходимо знание степени усвоения субстрата данным микроорганизмом.