منابع پایان نامه ارشد درباره اکسیداسیون، بازدارندگی

دانلود پایان نامه ارشد

همین دلیل این سلولها رشد خود را در محیط کشت ناپیوسته (سرم باتل) به سرعت و بدون هیچ تاخیری آغاز کردند و غلظت سلولی در محیطهای کشت به سرعت افزایش یافت. تقریبا تمامی محیطهای کشت منحنی رشد هلالی308 یکسانی با تغییرات کمی در ماکسیمم غلظت سلولی از خود نشان دادند. در مراحل پایانی فرایند تخمیر ناپیوسته، کاهشی در دانسیته سلولی مشاهده گردید. منحنی های رشد باکتری نشان می دهد که سلولها در pH اولیه 8/6 اندکی بیشتر از 9/5 رشد کردند و دانسیته سلولی کمی بالاتر بود. با توجه به pH رشد 5 تا 7 برای باکتری لانگالی، در pH اولیه 8/6 سلولها برای مدت زمان بیشتری در pH رشد باقی می مانند و در نتیجه در تمام محیطهای کشت با pH اولیه 8/6 (صرف نظر از میزان عوامل کاهنده) دانسیته سلولی بالاتری حاصل گردید.

(الف)

(ب)
شکل ‏410: منحنی رشد سلول باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5
■، □ :RAI ؛( ،RAII: Δ ؛ ♦، ◊: RAIII
رشد سلولها نیازمند مقداری انرژی به شکل ATP است که از طریق واکنشهای الکتروشیمیایی که در مسیر متابولیکی باکتری دخالت دارند تامین می شود. بنابراین، نرخ رشد سلولها در محیط کشت با نرخ تولید انرژی محدود می گردد. هنگامی که pH محیط کشت به دلیل تولید اسید از مقادیر خنثی به سمت pHهای اسیدی می رود هیچ ATP ای تولید نمی گردد و در نتیجه رشد سلول یک روند کاهشی را دنبال می کند. در 8/6= pH نرخ رشد سلولی بالاتر بوده و ATP بیشتری نسبت به 9/5= pH مصرف شده و در نتیجه غلظت سلولی بالاتر است.

4-3-2 مصرف سوبسترای گازی
مصرف سوبسترای گازی در طول فرایند تخمیر ناپیوسته با عوامل کاهنده مختلف در pH های اولیه 8/6 و 9/5 به ترتیب در شکلهای 4-11 و 4-12 ارائه شده اند. نمودارهای مصرف گاز در هر دو pH روند تقریبا یکسانی داشتند اما مصرف گاز در pH اولیه 9/5 از 8/6 بیشتر بود. نرخ مصرف سوبسترا در محیطهای کشت مختلف که با RAI، RAII و RAIII کاهیده شده بودند در pH اولیه 9/5 به ترتیب 18، 33 و 7% بالاتر از محیطهای کشت مشابه در pH اولیه 8/6 بودند. نرخ مصرف گاز در 12 ساعت اول پس از تلقیح بالا بود و سپس به تدریج کاهش یافت. در هیچ کدام از محیطهای کشت و در هیچ شرایط مصرف سوبسترای گازی کامل و با میزان تبدیل 100% نبود.

(الف)

(ب)
شکل ‏411: مصرف سوبسترای گازی (الف) H2 و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 8/6
■:RAI،RAII:( ، ♦: RAIII

(الف)

(ب)
شکل ‏412: مصرف سوبسترای گازی (الف) H2 و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 9/5
□:RAI ، RAII: Δ، ◊: RAIII
به طور کلی، مرحله کند کننده سرعت در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط لانگالی ممکن است در هر یک از مراحل زیر باشد: 1) در انتقال جرم از سوبسترای گازی به سلولها 2) در اکسیداسیون بی هوازی سوبسترا برای تولید معادلهای کاهنده 3) در واکنشهای الکتروشیمیائی درگیر در مسیر متابولیکی که تولید انرژی را به عهده دارند و یا 4) در مسیر متابولیکی برای سنتز اجزای سلولی. در آزمایشهای انجام گرفته، رابطه ای خطی میان نرخ حجمی مصرف سوبسترای گازی () و فشار جزئی سوبسترا در فاز گاز () مطابق معادله (3-23) وجود نداشت. این بدین معنی است که غلظتهای H2 و CO در فاز مایع صفر نبود و به عبارتی فرایند تخمیر با نرخ انتقال جرم محدود نشده بود. از این نتایج چنین استنباط گردید که فرایند تخمیر با نرخ واکنش کنترل می شد. با وجود آنکه سوبسترای کافی در فاز مایع وجود داشت، اما فعالیت متابولیکی سلولها به اندازه کافی بالا نبود که سوبسترای کربنی را به طور کامل مصرف کند. در این حالت، غلظت CO در فاز مایع صفر نبود که می توانست اثر بازدارندگی روی آنزیم هیدروژناز داشته باشد [112].
همان طور که قبلا اشاره شد، باکتری لانگالی می تواند CO و H2 را از طریق مسیر متابولیکی وود-لانگال309 که به عنوان یک مسیر متابولیکی پذیرنده الکترون و حفظ کننده انرژی عمل می کند مصرف نماید. در این مسیر متابولیکی، استیل-کوآنزیم A سنتز می گردد که یک ماده اولیه ایده ال برای سنتز سلول و تولید محصولات متابولیکی است. در آزمایشهای انجام شده در همه باتل ها مصرف H2 از CO بیشتر بود که نشان می دهد باکتری ترجیح می داد مسیر همواستیک310 را برای تولید محصول دنبال کند. اکسیداسیون بی هوازی H2 و CO2 برای بسیاری از باکتریهای استوژنیک به خوبی شناخته شده است:
2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O (4-9)
2CO2 + 6H2 → C2H5OH + 3H2O (4-10)
به طور همزمان، CO توسط سلولها مصرف می گردد تا انرژی کاهشی لازم را برای تولید اتانول و استات به عنوان محصولات جانبی مسیر متابولیکی فراهم کند:
4CO +2H2O → CH3COOH + 2CO2 (4-11)
6CO + 3H2O → C2H5OH + 4CO2 (4-12)
بیشترین میزان تبدیل سوبسترا مقدار 76% برای H2 و 67% برای CO بود که در محیط کشتی که با 07/5 میلی مول سیستئین اسیدی کاهیده شده بود و در pH اولیه 9/5 حاصل گردید.

4-3-3 تولید اتانول و استات
نمودارهای تولید اتانول و استات توسط باکتری لانگالی در محیطهای کشت مختلف با عوامل کاهنده متفاوت در pH های اولیه 8/6 و 9/5 به ترتیب در شکلهای 4-13 و 4-14 نشان داده شده اند. انتقال سلولها به محیطی با pH اولیه پائین تر موجب بهبود تولید اتانول توسط سلولها گردید با وجود آنکه رشد سلولی کاهش یافت. نرخ تولید ویژه در محیطهای کشتی که با RAI، RAII و RAIII کاهیده شده بودند در pH اولیه 9/5 به ترتیب 43، 37 و 18% بالاتر از محیطهای کشت مشابه در pH اولیه 8/6 بودند. غلظت اتانول و استات در محیط کشت به یک میزان ماکزیمم رسید و پس از آن روندی کاهشی در بیشتر موارد مشاهده گردید. یکی از دلایل محتمل برای این کاهش تولید در مراحل پایانی فرایند تخمیر می توانست مصرف اتانول و استات توسط سلولها برای تامین انرژی مورد نیاز در شرایط نامطلوب باشد [83].

(الف)

(ب)
شکل ‏413: تولید اتانول توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5
■، □ :RAI ؛( ، RAII: Δ؛ ♦، ◊: RAIII

(الف)

(ب)
شکل ‏414: تولید استات توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5
■، □ :RAI ؛( ،RAII: Δ؛ ♦، ◊: RAIII
سدیم سولفید (Na2S) یک عامل کاهنده فرار است و این امکان وجود دارد که این ترکیب در طی فرایند تخمیر از طریق اکسیداسیون یا تبخیر از دست برود [95]. سولفید افزوده شده به محیط تخمیر نه تنها یونهایی مانند S2- یا HS-1 تولید می کند بلکه می تواند به H2S نیز تبدیل شود. از دست رفتن سولفید در طی فرایند تخمیر پتانسیل کاهشی محلول را تغییر داده و روی فعالیت آنزیمهایی که به پتانسیل کاهشی بسیار حساسند تاثیر می گذارد. در مقابل، سیستئین اسیدی در طول فرایند تخمیر در محیط کشت باقی می ماند [101]. میزان تبدیل یونهای سولفید به H2S که از محیط مایع به فاز گاز می رود می تواند با pH محیط تغییر کند. بر اساس گزارشهای موجود، غلظت H2S با کاهش pH افزایش می یابد [121]. در آزمایشهای انجام گرفته پتانسیل کاهشی در بیوراکتورهای ناپیوسته به دلیل محدودیتهای عملیاتی اندازه گیری نشد، اما از نتایج به دست آمده چنین استنباط گردید که سطح مطلوبی از پتانسیل کاهشی در محیط کشت کاهیده شده با RAI (07/5 میلی مول در لیتر از سیستئین اسیدی) در pH اولیه 9/5 حاصل شد که منجر به بهبود تولید اتانول گردید. در چنین شرایطی احتمالا معادلهای کاهنده بیشتری در اختیار باکتری بودند تا NADH بسازند و استیل-کوآنزیم A را به جای استات به اتانول تبدیل کنند (65/0 مول اتانول به ازای هر مول استات). اتانول در مقایسه با استات یک محصول به شدت کاهش یافته است که تولیدش نیاز به قدرت کاهشی زیاد دارد تا استیل-کوآنزیم A به جای استات به اتانول تبدیل شود. در مقابل، کمترین مقدار اتانول در محیط کشتی حاصل گردید که با همان عامل کاهنده (RAI) کاهیده شده بود اما pH اولیه محیط کشت 8/6 بود. بالاترین نسبت اتانول به استات (41/0 مول به مول) در pH اولیه 8/6، در محیط کشتی حاصل گردید که با RAIII کاهیده شده بود. این نتایج تاثیر مثبت سدیم سولفید را در کم کردن پتانسیل کاهشی محیط و هدایت مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز سالونتوژنیک در pH اولیه 8/6 نشان می دهند. همچنین تلاش شد تا در آزمایشها از غلظتهای بالاتر Na2S در این pH استفاده گردد تا اثرات آن روی تولید اتانول بررسی شود اما محیط کشت پس از افزودن سدیم سولفید به سیاهی متمایل گردید و هیچ بهبودی در رشد سلول و تولید در محیط کشت مشاهده نشد.
4-3-4 بازده محصول
از روی نتایج آزمایشگاهی به دست آمده، این امکان وجود نداشت که تفاوتی بین اتانول و استات تولید شده از CO با آنهایی که از H2/CO2 تولید می شدند قائل شد تا بازده تولید محصول از هر سوبسترا به صورت جداگانه محاسبه گردد. بنابراین، برای محاسبه بازده کلی محصول از اجزای گاز سنتز از روشی غیر مستقیم که توسط وگا و همکارانش311 ارائه گردید استفاده شد [112]. ترکیبی از معادلات (4-9) تا (4-12) منجر به رابطه استوکیومتری زیر می شود:
6 ΔNEtOH + 4 ΔNAc = – (ΔNCO + ΔNH2) (4-13)
رابطه (4-13) برای محیطهای کشت مختلف با عوامل کاهنده و pH های اولیه متفاوت در شکل 4-15 مورد بررسی قرار گرفت. در مواردی که سوبسترا تماما به محصول تبدیل شود، نقاط در راستای خط مستقیمی که از مبدا می گذرد قرار می گیرند و شیب خط تقریبا یک خواهد بود. در آزمایشهای انجام گرفته، چنین بازده بالایی نمی توانست حاصل شود؛ شیبها عموما بین 72/0-5/0 بودند که بسیار کمتر از یک بود. بخشی از این عدم موازنه استوکیومتری به انحراف استیل-کوآنزیم A به سمت آنابولیزم (تولید سلول) و نیاز به انرژی اضافی برای مسیر آنابولیکی مربوط می شد.

شکل ‏415: رابطه استوکیومتری (4-13) برای تولید اتانول و استات از H2 و CO
در نقاط نشان داده شده مربع: RAI، مثلث: RAII، لوزی: RAIII، علائم پر شده برای pH اولیه 8/6 و علائم تو خالی برای pH اولیه 9/5

نتایج تخمیر گاز سنتز توسط باکتری لانگالی با استفاده از عوامل کاهنده متفاوت و در pH های اولیه مختلف در جدول 4-4 ارائه شده است. تمام محاسبات مربوط به بازده و نرخ ویژه بر اساس سوبسترهای محدود کننده (H2 و CO) انجام شده است. بیشترین بازده تولید سلول از سوبسترا (23/2YX/S= گرم بر مول) با محلول کاهنده RAI و در pH اولیه 8/6 حاصل گردید؛ کمترین بازده محصول از سلول (036/0 YP/X=میلی مول بر گرم) و پائین ترین نسبت اتانول به استات (19/0 مول به مول) نیز از همین محیط کشت به دست آمد. بالاترین بازده محصول از سوبسترا (17/0YP/S= مول به مول) در pH اولیه 9/5 و با محلول RAI به عنوان عامل کاهنده حاصل شد. در حضور این عامل کاهنده، تولید اتانول و همچنین نسبت اتانول به استات به ترتیب 48 و 24% نسبت به محیط کشت استاندارد توصیه شده توسط ATCC (RAIII و 9/5= (pH بهبود یافت.
جدول ‏44: پارامترهای مربوط به بازده در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده و pH اولیه مختلف محیط کشت
EtOH/Ac

YP/S
YP/X
SPR312

SUR313

SGR314
YX/S

pH
عامل کاهنده
4073/0
1294/0
0482/0
0027/0
0206/0
0109/0
6969/2
8/6
RAI
2379/0
1392/0
0433/0
0024/0
0173/0
0146/0
2113/3
8/6
RAII
1857/0
1146/0
0355/0
0020/0
0172/0
0130/0
2299/3
8/6
RAIII

4982/0
1493/0
0596/0
0033/0
0222/0
0107/0
5025/2
9/5
RAI
6318/0
1489/0
0694/0
0038/0
0259/0
0084/0
1450/2
9/5
RAII
6529/0
1653/0
0628/0
0035/0
0211/0
0105/0
6329/2
9/5
RAIII

YX/S (گرم بر مول): بازده بیومس از سوبسترا، YP/S (مول بر مول): بازده محصول، YP/X (میلی مول بر گرم): بازده تولید محصول از بیومس، SPR (مول بر گرم بر ساعت): نرخ تولید ویژه، SGR (گرم سلول به گرم سوبسترا به ساعت): نرخ رشد ویژه، SUR (مول بر گرم بر ساعت): نرخ مصرف

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره رگرسیون، فیزیولوژی، رشد جمعیت Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، مدل ترکیبی، دی اکسید کربن، رگرسیون