В стехиометрическом соотношении (5.7), если произвести расчеты степени восстановленности веществ, указанных слева (субстратов) и справа (продуктов), часто получается все же определенная разница в пользу левой части равенства. Это говорит о том, что энергия в субстрате больше энергии, заключенной в биомассе и продуктах метаболизма. Именно эта разность энергий и преобразуется в тепловыделения, имеющие место в ходе микробиологического процесса.

Вообще в биотехнологии определение величины тепловыделений является важной задачей, которая нужна для расчета биореакторов. Это определение легко выполнить с помощью сравнения суммарной степени восстановленности субстратов, продуктов и образовавшейся биомассы с учетом соответствующих стехиометрических коэффициентов.

Формула для расчета следующая:
5.22

где ΔH – тепловыделение; v_i- стехиометрический коэффициент для i-го субстрата; V_j – стехиометрический коэффициент для j-го продукта; m – общее количество субстратов; n – общее количество продуктов; ϒ_Si – степень восстановленности i-го субстрата; ϒ_pj – степень восстановленности j-го продукта; ϒ_x – степень восстановленное биомассы.

Вернемся к примеру, рассмотренному в разделе 5.4, – производству лимонной кислоты, для которого в разделе 5.4 были определены стехиометрические коэффициенты.

Каково тепловьщеление в пересчете на С-моль биомассы?

Подставим в формулу (5.22) ранее вычисленные значения ϒ_S, v_p νρ и ϒ_Р:
ΔН = v_sϒ_s – ϒ_х – V_pϒ_p = (0,24•48 – 4,2 – 0,26•18)•115 = (11,52 – 4,2 – 4,68)•115 = 303,6 кДж/С-моль биомассы.

Чтобы получить количество тепловыделений на 1 кг израсходованной сахарозы, нужно учесть соотношение стехиометричес- ких коэффициентов. Из стехиометрического уравнения видно, что на 1 кг сахарозы получено 12,2 С-молей биомассы. Следовательно, тепловьщеление составляет:

ΔН = 303,6•12,2 = 3704 кДж/кг сахарозы.

Обычная же схема расчета тепловыделения, принятая в химии, включает определение теплот сгорания всех входящих в реакцию веществ:
(5 23)
где ΔH_s, ΔH_x и ΔH_p – теплота сгорания субстратов, биомассы, продуктов, m – общее число субстратов, n – общее число продуктов метаболизма.

Для химических соединений (субстрата, продукта) есть данные по ΔН в справочниках или же можно их определить в «калориметрической бомбе». Для биомассы тоже сделаны такие измерения:
ΔHдрожжей = 20,4 кДж/г биомассы;      (5.24)
ΔΗбактерий = 21,0 кДж/г биомассы.      (5.25)

Стоит запомнить также теплоты сгорания для протеина (13,5 кДж/г), моносахаров – 15,7 кДж/г, дисахаров – 16,5 кДж/г, глицерина – 18,1 кДж/г. В среднем для биомассы обычно принимают 22,0 кДж/г.

И еще один способ расчета теплового эффекта. Если известно количество кислорода, израсходованное на окисление субстрата, то тепловыделение можно определить по формуле
ΔH= ΔG_O2-460 кДж,      (5.26)
где AG_O2 – количество израсходованного кислорода, г • моль O₂.

Как известно, в 1 г · моле O₂ содержится 2 г · атома кислорода, следовательно, это соответствует степени восстановленности, а точнее, степени окисленности ϒ_s = –4. Отсюда 460 = 4•115, где 115 – коэффициент в формуле (5.22).

В данном примере мы можем определить AG02 из найденных ранее стехиометрических коэффициентов. Интересно рассчитать количество г · молей кислорода, полученное на С-моль биомассы. Оно численно равно стехиометрическому коэффициенту в итоговом уравнении (5.21), т. е. 0,66 г · молей O2 на 1 г · моль биомассы.

Тогда из формулы (5.26) получаем:
ΔH= 0,66•460 = 303,6 кДж/С-моль биомассы.

Таким образом, расчет по обеим формулам (5.22) и (5.26) дает одинаковые результаты. Однако использование формулы (5.26) более предпочтительно в случаях, когда легко определяется потребление кислорода культурой.