در هر مدل ترکیبی، مدل اول برای CO و مدل دوم برای H₂ استفاده شده است
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

کینتیک مصرف سوبسترای گازی
باکتری بی هوازی لانگالی می تواند CO را از طریق مسیر متابولیکی وود-لانگال مصرف کرده و مطابق واکنشهای (۴-۱۱) و (۴-۱۲) استات و اتانول تولید کند. این باکتری همچنین می تواند CO₂ و H₂ را به کمک آنزیمهایی مشابه آنچه که در چرخه استیل-کوآنزیم A دخالت دارند مطابق واکنشهای (۴-۹) و (۴-۱۰) به استات و اتانول تبدیل کند. در آزمایشهای انجام گرفته، در همه فشارها مصرف H₂ بیشتر از CO بود. این نتایج نشان می دهد که باکتری H₂/CO₂ را بهتر از CO از طریق مسیر همواستیک^[۳۳۱] مصرف می کرد. بیشترین میزان تبدیل سوبسترا ۷۶% برای H₂ و ۶۷% برای CO بود که در فشار گاز اولیه ۰/۱ اتمسفر حاصل گردید.
برای توصیف مصرف گاز سنتز توسط باکتری لانگالی، از کینتیک واکنش درجه اول استفاده گردید. رابطه ای که مصرف گاز CO را درطول زمان تخمیر به شکل معادله دیفرانسیل مرتبه اول توصیف می کند به صورت زیر است:

(۴-۲۱)

رابطه ای که غلظت CO در فاز مایع را بر حسب زمان نشان می دهد، با انتگرال گیری از رابطه فوق حاصل می گردد:

(۴-۲۲)

که در آن  و  بیانگر فشارهای CO محلول در زمان اولیه و هر لحظه (اتمسفر)، k_p ثابت سرعت واکنش درجه یک (بر ساعت) و t مدت زمان فرایند تخمیر است (ساعت).
شکل ۴-۲۰ کاهش CO محلول در محیط کشت را در بیوراکتورهای ناپیوسته با فشارهای مختلف نشان می دهد. همان طور که در این شکل دیده می شود، مدل واکنش درجه یک برای توصیف کینتیک مصرف CO مناسب بود و ضریب رگرسیون بالایی (۹۴/۰< R²) در همه فشارها حاصل گردید. بررسی تاثیر فشار اولیه گاز روی میزان مصرف سوبسترای گازی نشان دهنده اثرات بازدارندگی CO روی رشد سلول و مصرف سوبسترای گازی در فشارهای بالاتر از ۰/۱ اتمسفر بود. افزایش فشار اولیه گاز از ۲/۰ به ۰/۱ اتمسفر موجب بهبود نرخ انتقال جرم گردیده و در نتیجه میزان مصرف سوبسترای گازی را افزایش داد. هرچند، افزایش فشار گاز به بالاتر از ۰/۱ اتمسفر روی میزان مصرف گاز و رشد سلول تاثیر منفی داشت. در فشارهای بالا، غلظت CO محلول به حد مسمومیت رسید چرا که غلظت سلولی به اندازه کافی بالا نبود تا واکنش را در محدوده کنترل شده با نرخ انتقال جرم نگهدارد. افزایش فشار داخل بیوراکتور (بالاتر از ۰/۱ اتمسفر) موجب افزایش نرخ انتقال جرم به میزانی بالاتر از نرخ ذاتی واکنش بیولوژیکی گردید. در نتیجه، تجمع CO در فاز مایع و افزایش غلظت آن اثرات بازدارندگی روی رشد سلول و مصرف گاز ایجاد کرد. این نتایج نشان می دهد که فرایندهای با فشار بالا تا زمانی کاربرد دارند که غلظت سلولی به اندازه کافی زیاد باشد تا میزان CO محلول در فاز مایع را در حد کم حفظ کند و بدین ترتیب مانع از ایجاد هرگونه اثر بازدارندگی توسط CO شود.
شکل ‏۴‑۲۰: تغییرات فشار جزئی CO اندازه گیری شده در فاز گاز (شکل داخلی) و فشار محاسبه شده CO در فاز مایع در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته

• : ۲/۰، ○: ۵/۰، ▼: ۸/۰، Δ: ۰/۱، :■ ۲/۱ و □: ۵/۱ اتمسفر

بررسی کینتیک نرخ مصرف سوبسترای گازی و انتقال جرم
به طور کلی در یک راکتور شیمیائی دو محدودیت عمده روی نرخ کلی واکنش وجود دارد که یکی مربوط به نرخ ذاتی واکنش و دیگری مربوط به نرخ انتقال جرم است. سرعت ذاتی واکنش، حداکثر نرخ واکنش با توجه به غلظت واکنشگرها و دماست. چنانچه انتقال جرم یک عامل محدود کننده نباشد، نرخ کلی مشاهده شده واکنش بسیار نزدیک به نرخ ذاتی واکنش خواهد بود. هرچند، هنگامی که انتقال جرم عامل محدود کننده سرعت باشد، واکنش نمی تواند با سرعتی بیش از سرعت انتقال واکنشگرها به محل واکنش پیش رود. اگر چه ممکن است نرخ ذاتی واکنش بالا باشد، اما چنانچه واکنشگرها با سرعت بالایی فراهم نشوند، واکنش کلی کند خواهد بود.
گازهایی همانند CO و H₂ که حلالیت بسیار کمی در فاز مایع دارند روی نرخ انتقال جرم تاثیر می گذارند و عموما انتقال این واکنشگرها از فاز گاز به مایع در بیشتر انواع راکتورها یک عامل محدود کننده سرعت محسوب می شود. به طور کلی، چندین روش برای افزایش انتقال جرم وجود دارد. اول روش، افزایش ضریب انتقال جرم (k_L) است که میزان انتقال جرم را بهبود می بخشد. این کار عموما با افزایش تلاطم، اغلب با افزایش شدت جریان مایع و یا گاز، انجام می گیرد. دومین روش، افزایش سطح لازم برای انتقال جرم است. روش سوم، افزایش غلظت واکنشگر درفاز گاز است که می تواند موجب افزایش گرادیان غلظت و بهبود انتقال جرم شود. در نهایت، چنانچه واکنشگر به سرعت در فاز مایع مصرف گردد، غلظت آن در فاز مایع کم خواهد بود که موجب افزایش انتقال جرم می گردد. اما چنانچه نرخ انتقال جرم از نرخ واکنش بیشتر باشد، غلظت واکنشگر در فاز مایع افزایش می یابد تا زمانی که به غلظت تعادلی در سطح مشترک گاز-مایع برسد. در آن زمان، گرادیان غلظت صفر شده و هیچ انتقال جرمی بین فاز گاز و مایع صورت نخواهد گرفت.
یکی از روش های افزایش انتقال جرم در فرایند تخمیر گاز سنتز که سوبسترا در فاز گاز قرار دارد، پر فشار کردن راکتور است. افزایش فشار داخل راکتور موجب افزایش غلظت تعادلی CO در سطح مشترک گاز-مایع گردیده و میزان انتقال جرم به فاز مایع را افزایش می دهد. از نتایج به دست آمده در فشارهای مختلف بیوراکتور برای تعیین کینتیک نرخ مصرف CO استفاده گردید. بدین منظور، از مدل مونود تصحیح شده که توسط اندرو^[۳۳۲] پیشنهاد شده بود و اثرات بازدارندگی CO به عنوان سوبسترا را پیش بینی می کرد استفاده گردید [۱۰۵]:

(۴-۲۳)

که در آن  فشار CO محلول در فاز مایع (اتمسفر)، q_max حداکثر نرخ مصرف ویژه (میلی مول گاز بر گرم سلول بر ساعت)، K_p ثابت مونود (اتمسفر) و K_I ثابت بازدارندگی CO (اتمسفر) است.
تعیین پارامترهای کینتیکی در معادله (۴-۲۳) به سادگی انجام نمی شود چرا که اندازه گیری غلظت CO در فاز مایع آسان نیست. اولین مرحله برای یافتن فشار CO محلول، تعیین ضریب انتقال جرم (K_La)از طریق موازنه جرم روی نرخ انتقال CO به محیط مایع می باشد:

(۴-۲۴)