Экономический, метаболический коэффициенты выхода продукта по субстрату и биомассе – это в простейшем виде стехио- метрические коэффициенты.

Они нужны для того, чтобы по одной из известных величин (например, ΔS), рассчитать и другие характеристики процесса (например, ΔХ, ΔР).

Если в химии в результате взаимодействия реагентов А и В получаются продукты С и D и выделяется тепло ΔH, то можно записать с помощью стехиометрических коэффициентов v_A, v_B, v_C, ν_D и v_H следующее стехиометрическое уравнение:

v_AA + v_BB = v_CC + v_DD + ν_ΗΔΗ.      (5.1)

Как известно, стехиометрические коэффициенты подбирают таким образом, чтобы выразить фундаментальный закон природы – закон сохранения материи. Количество атомов любого элемента, входящего в вещества А, В, Си D, не должно изменяться в процессе превращения веществ.

В биологии также действует закон сохранения материи. В ходе биологических превращений в клетке перегруппировываются атомы углерода, азота, фосфора, водорода, кислорода и других жизненно важных химических элементов. Но общее количество каждого из этих элементов, включенное в структуры клетки, в точности равно количеству, взятому клеткой из питательной среды.

Процесс ферментации можно представить как систему, в которой происходит преобразование исходных реагентов (субстратов) в продукты (клетки и продукты метаболизма) (рис. 5.1).

В аэробных процессах в число субстратов входит кислород O₂, а в число продуктов – диоксид углерода CO₂. Другие субстраты и продукты в разных процессах различные, но стехиометрические соотношения между ними должны соблюдаться.

Рис. 5.1. Схематическое представление процесса превращения субстратов в биомассу и продукты метаболизма

По аналогии со стехиометрией в химии можно записать стехи- ометрическое уравнение для микробиологического процесса:

v_C [углеродный субстрат] + v_N [азотный субстрат] + Y_Ф [фосфорный субстрат] + VO₂ [O₂] +.... =
= V_X [биомасса] ++ V_P [продукт метаболизма] + VCO₂ [CO₂] +.... + νΗ₂O [H₂O] + V_HΔH.     (5.2)

Первое замечание по данному уравнению состоит в том, что хотя биомасса микроорганизмов является продуктом «реакции», она же будет и «исходным реагентом» Действительно, как бы мы не смешивали и что бы мы не делали с исходными субстратами, из них никогда не получится биомасса. Правильно было бы записать биомассу в качестве «субстрата», а в числе продуктов биомассу указать с коэффициентом (ν_X + 1) – большим, чем коэффициент при «биомассе-субстрате».

Учитывая это, можно все же использовать представленное выше результирующее уравнение, в котором биомасса записана только как продукт. Кстати, такие реакции, в которых образовавшийся продукт является катализатором реакции, в химии называют автокаталитическими.