۰۶۱۸/۰
۸۶۳۹/۵
۲/۱
۸۹۲۸/۰
۱۶۳۶/۲
۰۷۱۱/۰
۵۸۱۲/۵
۵/۱
آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور
تاثیر نرخ رقیق سازی
به منظور بررسی اثر نرخ رقیق سازی (نسبت شدت جریان مایع به حجم بیوراکتور) روی عملکرد سلولها، آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور به مدت ۲۸ روز انجام شد. برای تعیین نرخ رقیق سازی بهینه، شدت جریان مایع از ۷۵/۰-۳/۰ میلی لیتر بر دقیقه (۰۳۰/۰-۰۱۲/۰ D=بر ساعت) تغییر داده شد در حالی که شدت جریان گاز و دور همزن به ترتیب در ۰/۸ میلی لیتر بر دقیقه و ۵۰۰ دور در دقیقه (rpm) ثابت نگه داشته شدند. دمای بیوراکتور در ۳۷ درجه سانتیگراد ثابت بود و pH اولیه روی ۹/۵ تنظیم شد. برای تعیین دانسیته سلولی، میزان مصرف سوبسترای گازی و تولید محصول در بیوراکتور، فاز گاز و مایع بیوراکتور در فاصله زمانی ۱۲ ساعت مورد آنالیز قرار گرفتند.
( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
دانسیته سلولی و PH محیط کشت
تغییرات دانسیته سلولی و pH در محیط کشت باکتری لانگالی در بیوراکتور در مدت ۲۸ روز و در ۵ ناحیه در شکل ۴-۲۴ ارائه شده است. در ۴ روز اول آزمایش، بیوراکتور درحالت نیمه پیوسته که در آن فاز مایع ناپیوسته و فاز گاز به صورت پیوسته در جریان بود مورد بهره برداری قرار گرفت (ناحیه I). در طول این مدت دانسیته سلولی به سرعت تا ۶۳۰/۰ گرم بر لیتر افزایش یافت که با کاهش pH محیط کشت همراه بود. در انتهای ناحیه I، تغییرات دانسیته سلولی روند نزولی پیدا کرد که احتمالا به کمبود مواد مغذی در محیط کشت ناپیوسته مربوط می شد. در این لحظه، جریان پیوسته محیط کشت به درون بیوراکتور با شدت جریان ۳/۰ میلی لیتر در دقیقه (۰۱۲/۰D= بر ساعت) آغاز گردید (ناحیه II). در این ناحیه غلظت سلولی در حدود ۳/۰ گرم بر لیتر پایدار شد و pH محیط کشت تا ۲۷/۴ کاهش یافت. همان طور که قبلا اشاره شد، pH محیط کشت یکی از پارامترهای مهمی است که می تواند روی رشد سلولها نقش اساسی داشته باشد؛ هرگونه تغییر ناگهانی در آن می تواند موجب خرابی و حتی مرگ سلولها شده و در نهایت منجر به از دست رفتن فعالیت بیولوژیکی سلولها گردد. در چنین شرایطی که سطح فعالیت متابولیکی سلولها کاهش یافته و سلولهای زنده و فعال کافی در محیط کشت حضور ندارند، سلولها احتمالا نخواهند توانست آنزیمهای و کوفاکتورهای لازم را برای مصرف سوبسترای کربنی بسازند. برای جلوگیری از بروز چنین ناتوانی هایی در محیط کشت و غیرفعال شدن سلولها در اثر کاهش بیش از اندازه pH، در ابتدای هر ناحیه و همزمان با تغییر نرخ رقیق سازی، pH محیط کشت روی۰/۵ تنظیم شد. لازم به ذکر است که ۷-۵pH= محدوده رشد باکتری لانگالی است. در صورتی که pH محیط کشت افزایش داده نمی شد، دانسیته سلولی کاهش می یافت. با افزایش شدت جریان مایع از ۳/۰ به ۴۵/۰ میلی لیتر در دقیقه، دانسیته سلولی تا ۳۵۰/۰ گرم بر لیتر افزایش پیدا کرد (ناحیه III). افزایش نرخ رقیق سازی به بیشتر از این میزان موجب کاهش غلظت سلولی گردید (نواحی IV وV). در بیشترین شدت جریان مایع (۷۵/۰ میلی لیتر در دقیقه) به کار گرفته شده (ناحیه V)، دانسیته سلولی به میزان قابل توجهی کاهش یافت (۱۷۴/۰ گرم بر لیتر) که این مساله احتمالا به پدیده نامطلوب شستشوی سلولی[۳۳۴] در این نرخ رقیق سازی بالا مربوط می شد. بنابراین بیوراکتور در نرخهای رقیق سازی بالاتر از ۰۳۰/۰ بر ساعت قابل بهره برداری نبود چرا که دانسیته سلولی به شدت کاهش می یافت. شدت جریان مایع ۴۵/۰ میلی لیتر در دقیقه (۰۱۸/۰ D=بر ساعت) به عنوان شدت جریان بهینه برای انجام آزمایشهای بعدی مورد استفاده قرار گرفت.
شکل ۴‑۲۴: رشد سلولی و تغییرات pH در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف با شدت جریان گاز ۰/۸ میلی لیتر در دقیقه و دور همزن ۵۰۰ (rpm)
ناحیه I: فاز نیمه پیوسته، ناحیه II: 012/0D=، ناحیه III: 018/0D=، ناحیه IV: 024/0D= و ناحیه V: 030/0D= بر ساعت
مصرف سوبسترای گازی
نمودار مصرف H2 و CO در فرایند پیوسته تخمیر گاز سنتز توسط لانگالی در نرخهای رقیق سازی مختلف در شکل ۴-۲۵ نشان داده شده است. همان طور که در شکل دیده می شود، مصرف H2 توسط باکتری در تمام حالتها بیشتر از CO بود و مصرف هر دو سوبسترا روند تقریبا یکسانی داشت. با افزایش شدت جریان مایع به ۴۵/۰ میلی لیتر در دقیقه و ازدیاد دانسیته سلولی، مصرف هر دو سوبسترا بهبود یافت و بازده تبدیل ۸۵ و ۸۰% به ترتیب برای H2 و CO حاصل گردید. با افزایش شدت جریان مایع به بیش از ۴۵/۰ میلی لیتر در دقیقه و کاهش دانسیته سلولی در محیط کشت مصرف سوبسترای گازی کاهش یافت. در ناحیه V با کاهش غلظت سلولی به پائین تر از ۲/۰ گرم بر لیتر میزان تبدیل H2 و CO به ترتیب تا ۷۰ و ۵۰% کاهش پیدا کرد.
شکل ۴‑۲۵: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز ۰/۸ میلی لیتر در دقیقه و دور همزن ۵۰۰ (rpm)
ناحیه I: فاز نیمه پیوسته، ناحیه II: 012/0D=، ناحیه III: 018/0D=، ناحیه IV: 024/0D= و ناحیه V: 030/0D= بر ساعت
تولید محصول
تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته باکتری لانگالی در شدت جریانهای مختلف مایع در شکل ۴-۲۶ نشان داده شده است. همان طور که اشاره شد، در ۴ روز اول آزمایش بیوراکتور به صورت ناپیوسته با جریان مداوم گاز سنتز مورد بهره برداری قرار گرفت تا دانسیته سلولی در محیط کشت افزایش یابد. در طول این مدت استات (۳۳/۱۸ میلی مول در لیتر) محصول غالب فرایند تخمیر بود و در انتهای این فاز (ناحیه I) مقداری اتانول (۳۳/۴ میلی مول در لیتر) نیز در محیط کشت تولید گردید. این عدم تمایل سلولها برای تولید اتانول احتمالا به pH نامناسب محیط کشت برای تولید اتانول مربوط می شد؛ همان طور که قبلا اشاره شد بر اساس متون موجود ۵/۴-۴pH= برای تولید اتانول مطلوب است. با شروع جریان پیوسته مواد مغذی به درون بیوراکتور تولید اتانول در محیط افزایش یافت. در ناحیه II که نرخ رقیق سازی ۰۱۲/۰ (بر ساعت) بود تقریبا ۱۳ میلی مول در لیتر اتانول و ۳۰ میلی مول در لیتر استات تولید شد که منجر به نسبت مولی ۴۳/۰ گردید. با افزایش نرخ رقیق سازی به ۰۱۸/۰ (بر ساعت) در ناحیه III، نسبت تولید اتانول به استات تا ۵۳/۰ افزایش یافت. در ناحیه IV غلظت استات در جریان خروجی به میزان کمی تحت تاثیر نرخ رقیق سازی قرار گرفت اما میزان اتانول تولیدی کاهش یافت و نسبت مولی اتانول به استات تا ۴۰/۰ تنزل یافت. هنگامی که نرخ رقیق سازی به ۰۳۰/۰ (بر ساعت) در ناحیه V افزایش داده شد، میزان تولید اتانول به مقدار قابل توجهی کاهش یافت و نسبت مولی اتانول به استات به ۱۵/۰ رسید.
شکل ۴‑۲۶: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز ۰/۸ میلی لیتر در دقیقه و دور همزن ۵۰۰ (rpm)
ناحیه I: فاز نیمه پیوسته، ناحیه II: 012/0D=، ناحیه III: 018/0D=، ناحیه IV: 024/0D= و ناحیه V: 030/0D= بر ساعت
تاثیر شدت جریان گاز و دور همزن
به منظور مطالعه تاثیر شدت جریان گاز (زمان ماند گاز) و دور همزن روی عملکرد محیط کشت در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز، آزمایشهای پیوسته به مدت ۴۸ روز در بیوراکتور انجام شد. در این آزمایشها، شدت جریان گاز از ۱۲-۴ میلی لیتر در دقیقه و دور همزن از ۵۰۰-۲۰۰ دور در دقیقه (rpm) تغییر داده شد در حالی که شدت جریان مایع در ۴۵/۰ میلی لیتر در دقیقه ثابت نگه داشته شد. دمای بیوراکتور در ۳۷ درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته شد و pH اولیه محیط کشت روی ۹/۵ تنظیم گردید. به طور کلی، pH محیط کشت روی مقدار خاصی کنترل نشد اما چنانچه افت pH در محیط بیوراکتور شدید بود pH تا مقدار ۰/۵ افزایش داده می شد تا مانع از کاهش بیش از حد دانسیته سلولی شود.
مصرف سوبسترای گازی
مصرف H2 و CO توسط لانگالی در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن در شکل ۴-۲۷ نشان داده شده است. همان طور که در شکل دیده می شود، افزایش دور همزن تاثیر مستقیم و افزایش شدت جریان گاز اثر معکوس روی میزان تبدیل سوبستراهای گازی داشت. با افزایش شدت جریان گاز از ۴ به ۱۲ میلی لیتر در دقیقه دانسیته سلولی کمی افزایش یافت اما با کاهش زمان ماند گاز در بیوراکتور (نسبت حجم محیط کشت به شدت جریان گاز سنتز) از ۲۵/۶ به ۰۸/۲ ساعت میزان تبدیل گاز به شکل تقریبا خطی کاهش پیدا کرد (شکل ۴-۲۷). به طور کلی، با توجه به اختلاط بسیار خوب در راکتورهای CSTR تنها زمانی می توان به میزان تبدیل کامل دست یافت که شدت جریان گاز بسیار کم باشد. استفاده از شدت جریانهای بالا منجر به میزان تبدیل پائین گاز می گردد مگر اینکه از جریان گاز بازگشتی استفاده شود.
با افزایش دور همزن در شدت جریان گاز ثابت میزان تبدیل سوبسترای گازی بهبود یافت (شکل ۴-۲۹). در تمامی شدت جریانهای گاز به کار گرفته شده بیشترین بازده تبدیل در دور همزن ۵۰۰ (rpm) حاصل گردید. استفاده از دورهای بالای همزن موجب ریز شدن حبابهای گاز شده و انتقال جرم گازهای کم محلول همانند CO و H2 را در محیط کشت بهبود می دهد. بیشترین میزان تبدیل H2 و CO که به ترتیب ۱۴/۹۲ و ۹۰/۸۳% بود در شدت جریان گاز ۴ میلی لیتر بر دقیقه و دور همزن ۵۰۰ (rpm) حاصل گردید.
شکل ۴‑۲۷: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی ۰۱۸/۰ بر ساعت
ناحیه I: 8g=ν، ناحیه II: 4g=ν ، ناحیه III: 12g=ν و ناحیه IV: 10g=ν میلی لیتر بر دقیقه
شکل ۴‑۲۸: تاثیر شدت جریان گاز روی میزان تبدیل CO در دورهای مختلف همزن
شکل ۴‑۲۹: تاثیر دور همزن روی میزان تبدیل CO در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز
تولید محصول
شکل ۴-۳۰ تولید اتانول و استات را در محیط کشت پیوسته لانگالی در مدت ۴۸ روز نشان می دهد. افزایش شدت جریان گاز و دور همزن هر دو تاثیر مستقیم روی افزایش میزان اتانول تولیدی داشتند. با افزایش شدت جریان گاز در دور همزن ثابت، نسبت اتانول تولید شده از حدود ۶ (۴g=ν میلی لیتر بر دقیقه) به۳۰ میلی مول در لیتر (۱۲g=ν میلی لیتر بر دقیقه) بهبود یافت. بیشترین نسبت مولی اتانول به استات (۷۳/۰) در شدت جریان گاز ۱۲ میلی لیتر بر دقیقه و دور همزن ۵۰۰ (rpm) حاصل گردید. در این شرایط تولید اتانول و استات در محیط کشت به ترتیب ۳۰ و ۴۱ میلی مول در لیتر بود.
شکل ۴‑۳۰: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی ۰۱۸/۰ بر ساعت
ناحیه I: 8g=ν، ناحیه II: 4g=ν ، ناحیه III: 12g=ν و ناحیه IV: 10g=ν میلی لیتر بر دقیقه