23. A mikrobiális sztöchiometria alapjai: C-mól, elekronegyenérték, együtthatók összefüggései, hozamok kifejezése. A sztöchiometriai leírás felhasználhatósága.

Question 1

Mikrobiális sztöchiometria célja

Answer 1

1. hozamok elméleti becslése

2. táptalaj tervezéshez és gazdaságos fermentációhoz fontos

Question 2

általános mikrobaképlet

Answer 2

mikrobaképlet: CaHbOcNd

ahol:
a = C%/12
b = H%/1
c = O%/16
d = N%/14

elemi összetételt osztjuk az atomtömeggel –> egyes elemek moláris mennyiségét kapjuk meg

ez a képlet függ a tenyésztési körülménytől és a mikroba fajtájától

Question 3

1. C-molnyi mikrobatömeg definíció
2. általános C-molnyi mikrobatömeg képlet
3. valódi C-móltömeg

Answer 3

1 C-molnyi az a mikrobatömeg, amely 1 g-atomnyi (=12,01 g) szenet tartalmaz

C-atomra vonatkoztatás előnyös, mert:
–> a mikrobák C-tartalma a legnagyobb (kb. 50%) és a leginkább független a tenyésztési körülményektől –> b,c,d csak kis mértékben változtatják meg a C-mól képletet

általános C-molnyi mikrobatömeg képlet:
CHpOnNq (hamu)
az ebből számított tömeg nem felel meg a C-móltömegnek, valamivel kisebb (mivel más elemeket pl.: S vagy egyéb nem számolunk, egyszerűsített forma)

valódi C-móltömeg: (12 + p + 16n + 14q)/1-R

R: hamutartalom

különböző mikrobáknál különböző, de átlagos biomassza-összetétel:
CH(1,8)O(0,5)N(0,2)
átlagos hamutartalom: R=5%
átlagos mikrobatömeg: 24,72 g

Question 4

a fermentáció általános sztöchiometriai egyenlete

Answer 4

ha ismerjük a szubsztrátok és termékek összetételét, fel tudjuk írni a fermentációt jellemző egyenletet:

aerob fermentáció
CHmOl + aNH3 + bO2 –> yc CHpOnNq + z CHrOsNt + dCO2 + cH2O

ismerjük: szubsztrát és termék összetételét (kísérletesen vagy irodalomból) –> m, l, p, n, q, r, s, t

4-anyagmérleg egyenletet írhatunk fel C, H, O, N-re
ebből további 4 ismeretlent ismerhetünk meg

így maradék 2-őt (a, b, yc, d közül) méréssel meg kell határozni

yc: eredő C-mol sejthozam

Question 5

mérlegegyenlet az elektron-egyenértékekre nézve

Answer 5

C: +4 H: +1 O: -2 N: -3

gamma(s) = 4 + m - 2*l
gamma(x) = 4 + p - 2*n - 3*q
gamma(p) = 4 + r - 2*s - 3*t

O2 elektron-egyenértéke: -4
H2O és CO2-é pedig 0

–> szubsztrát elégetése:
CHmOl + (4 + m - 2l)/4 O2 → CO2 + m/2 H2O

ezek alapján:
gamma(s) –> egy C-molnyi szénforrás elégetéséhez szükséges oxigénmólok négyszerese (azon elektronok száma, miket egy C-molnyi szubsztrát elégetésekor az O2 felvesz)

gamma(x) –>
egy C-molnyi sejttömeg elégetéséhez szükséges oxigénmólok négyszerese
(azon elektronok száma, miket egy C-molnyi sejttömeg elégetésekor az O2 felvesz)

elektronmérleg egyenlet:
γs + b(-4) = yc γx + zγp
γs-el leosztva, átrendezve

4*b + yc γx + zγp = γs
ε + η + ξ = 1
epsilon, éta, kszí

A szubsztrátban lévő hozzáférhető elektronok:
ε-ad rész az O2-re, η-ad része az új sejttömegre, ξ-ad része a termékekre tevődik át a fermentáció során

Question 6

Hozam kifejezések

Answer 6

1. C-mol hozam:
   a sejttömeg együtthatója a sztöchiometriai egyenletben:
   yc = g-atom sejtszén/g-atom szubsztrát szén

Yx/s eredő hozam:
g sejt/g szubsztrát = yc(12 + p + 16n + 14q)/((1-R)*(12 + m + 16l))

egyszerűbben:
Yx/s = yc12alfa1/alfa212 = ycalfa1/alfa2

2. Termékhozam:
   z = g-atom sejtszén/g-atom szubsztrát szén

YP/s = g termék/g szubsztrát = z(12 + r + 16s + 14t)/(12 + m + 16l)

3. Oxigénhozam:
   A sztöchiometriai egyenlet alapján b mol oxigén felhasználása történik yc C-molnyi új mikrobatömeg képződése során:

Y˘o^c = yc/b

általánosabban, az 1 g oxigén felhasználásakor képződött új sejttömeg:

Yo = yc(12 + p + 16n + 14q)/(1-R)32*b

Yo = yc12/alfa232*b

Yo = yc12/alfa232*(4/(γs - yc γx - zγp))

ipari sejttömegtermelésnél nem igazán termelődik extracelluláris termék (1-3%) –> zγp-t elhanyagolhatjuk

Yo = yc3/2alfa2*γx(γs/γx - yc)

Yo-Yx/s diagram

Question 7

Yo-Yx/s diagram

Answer 7

1. YO monoton nő Yx/S növekedésével, és kis C-hozamoknál közel lineáris a kapcsolat
2. Minél kisebb γS, a szubsztrát elektron-egyenértéke, vagyis minél nagyobb az oxigéntartalma, annál meredekebben függ Yo az Yx/S-től
3. 1 >= yc < γs/γx

Question 8

főbb pontok

Answer 8

1. Sztöchimetria célja
2. Általános mikroba képlet (mi befolyásolja? –> mikroba és környezet)
3. C-molnyi mikrobatömeg (miért előnyös a C atomra vonatkoztatás), általános és valódi C-molnyi mikrobatömeg képlet
4. fermentáció általános sztöchiometriai egyenlete, anyagmérleg egyenletek
5. elektron-egyenértékek (szubsztrát és sejttömeg égetése)
   elektronmérleg egyenlet
6. Hozam kifejezések (sejt, termék és oxigén hozam)
7. Yo-Yx/s diagram és tulajdonságai