2.3. Энергетическая эффективность процессов микробиологического синтеза

Наиболее часто в биохимии и динамике клеточных популяций используются два термодинамических потенциала – энтальпия (H) и свободная энергия Гиббса (G), которые описывают, соответственно, тепловыделение и самопроизвольность реакции при постоянных температуре и давлении. Примеры ΔН⁰ и ΔG⁰_кат. для ряда микробиологических процессов представлены в табл. 2.

Расчёт теплового эффекта. Стехиометрическое уравнение позволяет определить тепловой эффект брутто-процесса ферментации. В термохимических расчётах обычно используются стандартные теплоты образования реагентов ∆ Н⁰_f ,₂₉₈, которые невелики по абсолютной величине, что увеличивает точность расчёта. В микробиологических процессах соответствующее расчётное уравнение имеет вид:

[кДж], (2.10)

где (∆ Н⁰_{f ,298})_p – теплота образования продуктов, кДж·моль^-1;

(∆ Н⁰_{f ,298})_АСБ – теплота образования биомассы, кДж·моль^-1;

(∆ Н⁰_{f ,298})_S – теплота образования субстратов, кДж·моль^-1;

n – общее количество субстратов;

m – общее число продуктов метаболизма;

υ_j – стехиометрический коэффициент для j-го продукта, моль;

υ_i – стехиометрический коэффициент для i-го субстрата, моль.

Есть ещё один способ расчёта теплового эффекта, который может быть использоваться для аэробных процессов, если известно количество молекулярного кислорода (О₂), израсходованного в брутто-реакции, то тепловыделение можно определить по формуле:

[кДж], (2.11)

где ∆M_O2 – количество израсходованного кислорода,·моль;

460 – эмпирический коэффициент.

Расчёт свободной энергии. Разбиение стехиометрического уравнения (2.1) на две части, условно описывающие анаболические и катаболические процессы – уравнения (2.4) и (2.5) – позволяет использовать последнее уравнение для нахождения меры эффективности затрат свободной энергии на биосинтез. Изменение свободной энергии по реакции (2.5) является характеристикой всей совокупности метаболических путей для данных клеток в заданных условиях, и эта характеристика показывает, какое количество свободной энергии, выделившейся при катаболизме, «имели в своем распоряжении и израсходовали» клетки в ходе размножения и роста популяции. ΔG считают для сравнения субстратов (считают на 1 моль субстрата).

В заключение следует отметить, что при расчётах теплового эффекта и изменения свободной энергии не принимается во внимание превращение источника азота в азот биомассы, так как содержание азота в биомассе невелико и им допустимо пренебречь, т.е. при расчётах термодинамических величин NH₄OH не учитывают.

Таблица 2.

Оценка свободной энергии некоторых процессов биосинтеза

Тип микро-организма	Субстрат	Стехиометрия биосинтеза*	ΔН^0, кДж/г АСБ	Оценка ΔG^0, кДж/г АСБ
дрожжи	н-С16Н34		– 24,8	– 24,7
	С2Н5ОН		– 18,6	– 18,0
	СН3СООН		– 19,5	– 22,9
	С6Н12О6		– 11,0	– 13,0
	С6Н12О6		– 4,4	– 16,1
	i-С3Н7ОН		– 60,1	– 62,1
	(=СНСООН)2		– 13,7	– 18,4
Бактерии	СН4		– 34,2	– 30,5
	СН3ОН		– 35,9	– 35,7
	С6Н12О6		– 4,9	– 7,5
	СО2, Н2		– 87,2	– 64,1

* без учёта потребления NH₄OH – 0,0063 моль для дрожжей и 0,0069 моль для бактерий.