La stœchiométrie microbienne

Dans le domaine microbien, la stœchiométrie définit la relation quantitative entre les substrats et les produits des processus microbiens, y compris la formation de la biomasse.

Figure 1 : le modèle à boîte noire analyse les entrées et les sorties du système au lieu des processus à l'intérieur du système. Toutes les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules sont négligées, et l'ensemble du processus de fermentation est considéré comme une seule réaction dans laquelle les substrats sont convertis en biomasse et en produits.

Coefficient de rendement et croissance exponentielle

Dans la croissance exponentielle, il existe une relation linéaire entre la consommation de substrats et la formation de produits. Par conséquent, le coefficient de rendement sera constant. Il peut être calculé comme la pente d'un tracé du produit en fonction du substrat.

Figure 2 : pendant la fermentation, le substrat est consommé et une biomasse et un produit sont formés. En traçant la biomasse en fonction du substrat, on obtient une courbe linéaire avec Y_sx pour pente.

Calcul du coefficient de rendement

En règle générale, seuls les substrats et les produits les plus importants sont pris en compte. Par exemple, pour les cellules de levure, l'équation stœchiométrique générale serait la suivante :

Le coefficient Y devant chaque composé est le coefficient de rendement. C'est le rapport entre la variation du composé j et la variation du composé i.

Bilan carbone et cmol

Pour le bilan carbone (ou tout autre bilan élémentaire de la fermentation), on utilise l'équation stœchiométrique générale. Tous les composés qui contiennent du carbone sont pris en compte :

Étant donné que l'on connaît seulement la contribution élémentaire de la biomasse, et non la formule moléculaire spécifique, les unités sont changées en cmol. Par rapport au cmol, la composition générale du microorganisme est CH_1,8O_0,5N_0,2. Lors de la conversion en cmol, la molécule et la masse moléculaire sont normalisées par rapport à la teneur en carbone. Par exemple, le glucose (C₆H₁₂O₆) ayant une masse moléculaire de 180 g/mol en cmol est CH₂O, et il a une masse moléculaire de 30 g/cmol (simplement la masse moléculaire originale divisée par le nombre d'atomes de carbone). Les coefficients de rendement peuvent être convertis de g/g en cmol/cmol.

Après la conversion des unités en cmol, le bilan carbone est le suivant :

Le bilan carbone est une bonne méthode pour contrôler les microorganismes fermentés. Si le bilan carbone ne se ferme pas, il y a beaucoup de carbone non comptabilisé, ce qui signifie qu'il y a des sous-produits inconnus.

Les masses moléculaires

Les masses moléculaires élémentaires suivantes sont utiles pour calculer les masses moléculaires des substances organiques :

Mw (hydrogène) = 1 g/mol

Mw (carbone) = 12 g/mol

Mw (azote) = 14 g/mol

Mw (oxygène) = 16 g/mol

Les abréviations

x : concentration de biomasse produite

DW : poids sec, une mesure de la biomasse

Y : facteur de rendement

S_R : concentration initiale de substrat

s : concentration résiduelle de substrat

p : concentration de produit

q_p : taux spécifique de formation de produit (mg de produit g^-1 de biomasse h^-1)

Y_xp : rendement de produit en matière de biomasse (g de produit g^-1 de biomasse)