منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، بازدارنده ها، دینامیکی

دانلود پایان نامه ارشد

متابولیکی استیل کوآنزیم A دخالت دارند همچون CODH، فرمات دی هیدروژناز و هیدروژناز و الکل دی هیدروژناز افزایش یابد. عناصر جزئی موجود در محیط رشد می توانند تاثیر بسزایی روی فعالیت متالوآنزیمها داشته باشند که در نهایت موجب بهبود رشد سلول و افزایش محصول می شوند. ساکسنا و تنر178 [102] تاثیر عناصر جزئی (Co2+،Cu2+ ،Fe2+ ،Mn2+ Mo6+ ، Ni2+، Zn2+، SeO4- و (WO4- را روی رشد باکتری کلستریدیوم راگسالی179 و تولید اتانول و استات توسط این استوژن بررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان داد که حضور Cu2+موجب کاهش تولید اتانول گردید، هرچند، Ni2+ رشد سلول را بهبود بخشیده و موجب افزایش فعالیت آنزیمهای CODH و هیدروژناز شد. غلظتهای بهینه SeO4- و WO4- فعالیت فرمات دی هیدوژناز را افزایش داد، از آنجا که عناصر سلنیوم و تنگستن به عنوان کوفاکتور دراین آنزیم عمل می کنند. با افزایش غلظت Zn2+ رشد سلول و تولید اتانول بهبود یافت اما این افزایش غلظت روی فعالیت آنزیم تاثیر نداشت. حذف Fe2+ از محیط کشت موجب کاهش تولید اتانول گردیده و فعالیت هر چهار آنزیم مذکور را کاهش داد چرا که همه این متالوآنزیمها پروتئینهای آهن-سولفور هستند.
هانک و همکارانش180 [103] اثرات عناصر جزئی (Fe، Mo، Co، Niو Cu) را روی متابولیزم Co در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری کلستریدیوم راگسالی مطالعه کردند. حذف همه فلزات، به جز Mo، بازده الکل به اسید را افزایش داد که برای Fe و Ni به ترتیب 300 و 400% بود. حذف Mo از محیط کشت موجب افزایش تولید استات گردید. هرچند، آدامز و همکارانش181 [104] پیشنهاد کردند که حذف Co از مواد مغذی راهی برای تغییر مسیر متابولیکی استوژنها برای تولید اتانول به جای استات است. محدودیت Co در محیط کشت ممکن است موجب کاهش نرخ چرخه استیل کوآنزیم A شود. از آنجا که Co در انتقال گروه متیل از چرخه THF به چرخه استیل کوآنزیم A نقش دارد، کمبود Co در محیط کشت اجازه این نقل و انتقال را نمی دهد و بنابراین موجب کاهش عملکرد چرخه THF می گردد. متعاقبا، نسبت NAD(P)H به NAD(P) افزایش می یابد که تولید اتانول را افزایش می دهد.
لوئیس و همکارانش182 [54] اظهار داشتند که افزایش غلظت آهن در محیط کشت باکتری کلستریدیوم کربوکسیدورانس183 به میزان ده برابرِ محیط کشت استاندارد، موجب دو برابر شدن تولید اتانول گشت، در حالیکه تولید اسید استیک و اسید بوتیریک را کاهش داد. حذف آهن از محیط کشت استاندارد مانع تولید اتانول گردید. آنها تاثیر عناصر جزئی را روی رشد سلول و تولید محصول در فرایند تخمیر پیوسته این باکتری بررسی کردند. بر اساس مشاهدات آنها، با دو برابر کردن غلظت عناصر جزئی رشد سلول تقریبا از 2/0 به 35/0 گرم در لیتر رسید. همچنین، مصرف CO، تولید اتانول، استات و بوتانول بهبود یافت. دو برابر کردن غلظت عناصر جزئی برای دومین بار در فرایند پیوسته موجب آغاز مرگ سلولها و خاتمه آزمایش گردید.
2-5-6 اثرات بازدارندگی184 در محیط تخمیر
در فرایندهای بیولوژیکی، رشد و/یا نرخ تولید محصول توسط میکروارگانیزمها می تواند توسط واکنشگرها، محصولات یا آلودگیها کاهش یافته یا حتی متوقف شود. به عنوان نمونه، گفته می شود که تولید اسیدهای آلی به تشکیل هیدروژن بستگی دارد. هرچند، افزایش فشار جزئی H2 در فاز گاز یا تجمع آن در محیط کشت ممکن است اثر بازدارندگی روی فرایند تخمیر و تولید اسید داشته باشد که این مساله به تغییر جریان کربن در مسیر متابولیکی ارگانیزم مربوط می گردد [72]. همچنین، در واکنشهای بیولوژیکی، CO2 می تواند اثر بازدارندگی اعمال کند چرا که CO2 با تولید اسید کربونیک یا مشتقات کربونات روی pH محیط اثر می گذارد [56].
در تحقیقی برای تعیین غلظت بهینه استات در محیط کشت ناپیوسته باکتری روبروم، نجف پور و همکارانش [105] غلظت استات را از 1 تا 3 گرم بر لیتر تغییر دادند. افزایش غلظت استات به 3 گرم بر لیتر میزان تبدیل استات را از 73% (در 5/1 گرم بر لیتر) به 23% کاهش داد، میزان تبدیل CO از 97% (در 2 گرم بر لیتر) به 30% و تولید هیدروژن تا 50% کاهش یافت. از این نتایج چنین استنباط گردید که غلظت بالای استات موجب بازدارندگی در محیط کشت شده که رشد سلولها را کند نموده و اثر منفی روی تولید H2 داشت.
احمد و همکارانش185 [106] از باکتری کلستریدیوم کربوکسیدیورانس186 به عنوان کاتالسیت میکروبی در تبدیل گاز سنتزی که از بیومس حاصل شده بود به اتانول و استات استفاده کردند. هنگامی که گاز سنتز تولید شده از بیومس وارد محیط تخمیر گردید، رشد سلولی راکد شد، مصرف H2 متوقف گردید و توزیع محصولات بین اتانول و استات تغییر یافت. این مساله می توانست به وجود هیدروکربنهای سنگین187 در گاز سنتز مربوط باشد. بنابراین، از فیلتر 025/0 میلی متری در فرایند تمیز کردن گاز سنتز استفاده شد تا این هیدروکربنها را از جریان گاز حذف کند. با این حال، همچنان H2 در محیط کشت مصرف نمی شد. این نتایج نشان می داد که یکی از اجزای گاز سنتز اثر بازدارندگی روی آنزیم هیدروژناز، که جذب H2 را انجام می دهد، ایجاد کرده است. به طور کلی، گازهایی مانند O2، CO، استیلن و اکسید نیتریک (NO) بازدارنده های آنزیم هیدروژناز محسوب می شوند. آنها دریافتند که این مساله احتمالا به دلیل وجود 150 ppm از NO در گاز سنتز مربوط می شد که اثر بازدارندگی روی هیدروژناز ایجاد می کرد. تحقیقات بیشتر روی این احتمال نشان داد که NO در غلظتهای بالاتر از 40 ppm یک بازدارنده غیر رقابتی188 آنزیم هیدروژناز می شد، اما این غیرفعال شدن برگشت پذیر بود. هنگامی که NO اثر بازدارندگی روی فعالیت آنزیم هیدروژناز اعمال می کرد، الکترونهای مورد نیاز برای تولید اتانول به جای H2 از CO تامین می شدند. این مساله کاهشی را در تعداد کربنهای موجود برای تولید محصول ایجاد کرده و متعاقبا موجب کاهش بازده تبدیل کربن گردید. آنها به این نتیجه رسیدند که سلولهای کربوکسیدیورانس می توانستند NO موجود در گاز سنتز را تا غلظت 40 ppm تحمل کنند بدون آنکه اختلالی در فعالیت آنزیم هیدروژناز، رشد سلولها و تولید محصول ایجاد گردد.
هانک و همکارانش189 [103] از فلوئورواستات190 (FA) و تری فلوئورواستات191 (TFA) به عنوان بازدارنده های متابولیکی در محیط کشت باکتری کلستریدیوم راگسالی192 استفاده کردند تا بازدارندگی برای تولید اسید ایجاد کنند و بدین ترتیب تولید اتانول را نسبت به بازده رشد سلولی افزایش دهند. استفاده از 30 میلی مول FA در محیط منوکسید کربن، تولید اتانول، بازده رشد و تشکیل استات را به ترتیب تقریبا 50، 40 و 90% کاهش داد، اما نسبت اتانول به استات 80% بهبود یافت. در مقابل، استفاده از 30 میلی مول TFA در محیط کشت منوکسید کربن، تولید اتانول و استات را 126 و 52% افزایش داد، نسبت الکل به اسید 50% بهبود یافت و رشد سلولی تغییری نکرد. نتایج حاصله جابجائی جریان کربن را از فاز تولید اسید به فاز تولید الکل برای هر دو بازدارنده تائید کرد.

2-5-7 محدودیتهای انتقال جرم
انتقال جرم از فاز گاز به مایع عموما مرحله دشوار و محدود کننده سرعت واکنش در فرایند تخمیر گاز سنتز است. انتظار می رود که این محدودیتها در مورد گاز سنتز در مقایسه با فرایندهای هوازی بیشتر باشد زیرا حلالیت CO و H2 به ترتیب 60 و 4% (بر مبنای جرمی) حلالیت اکسیژن است [24]. محدودیتهای انتقال جرم ممکن است مربوط به هر یک از مراحل زیر باشد: انتقال سوبسترای گازی به سطح مشترک گاز-مایع؛ انتقال در محیط کشت مایع؛ نفوذ گاز در فیلم مایعی که میکروب را احاطه کرده است و نفوذ سوبسترای گازی از میان غشاء میکروبی به محل واکنش درون سلولی. برای گازهای با حلالیت کم، انتقال گاز به فاز مایع از میان سطح مشترک گاز-مایع، مقاومت اصلی انتقال جرم محسوب می شود [45, 90, 107].
بیوراکتورهای سیستمهای گازی باید در یکی از دو محدوده عملیاتی زیر مورد بهره برداری قرار گیرد. در محدوده اول، سلولهای کافی در فاز مایع وجود دارد تا گاز حل شده را مصرف کنند، اما نرخ انتقال جرم به اندازه ای نیست که بتواند نیاز سلولها را برآورده کند. در این حالت، با وجود آنکه ممکن است سرعت ذاتی واکنش بالا باشد، اما سوبسترا با سرعت مناسبی در اختیار سلولها قرار نمی گیرد تا بتوانند سرعت کلی واکنش را افزایش دهند. بنابراین، غلظت فاز مایعِ گاز حل شونده تقریبا صفر بوده و واکنش توسط نرخ انتقال جرم کنترل و محدود می شود. در این مورد، میزان رشد سلول و سرعت واکنش با توانایی بیوراکتور در انتقال سوبسترای گازی محدود می گردد [45, 56]. در محدوده دوم، با وجود آنکه سوبسترای کافی در فاز مایع وجود دارد، اما غلظت سلولی به اندازه کافی بالا نیست که بتواند سوبسترا را مصرف کند. این موردی است که سرعت واکنش با غلظت سلولها محدود می شود، غلظت سوبسترای گازی در فاز مایع صفر نیست که این مساله احتمال بازدارندگی ناشی از سوبسترا را افزایش می دهد. بنابراین، بیوراکتور باید به گونه ای طرحی و بهره برداری شود که بتوان به غلظت سلولی بالا و نرخ انتقال جرم مطلوب دست یافت [45].
عموما، نرخ انتقال جرم سوبسترای گازی به محیط کشت مایع با افزایش حلالیت گاز در فاز مایع و یا با کاهش مقاومت انتقال جرم در سطح مشترک گاز-مایع از طریق کم کردن کشش سطحی، بهبود می یابد. در بیوراکتورهای با محیط کشت غوطه ور، اندازه قطر حباب گاز پارامتر کلیدی در انتقال جرم گاز-مایع است. در شرایطی که محدودیت انتقال جرم وجود دارد، سطح ویژه موجود برای انتقال جرم و اندازه حباب گاز رابطه معکوسی با یکدیگر دارند. پراکنده کردن سوبسترای گازی در محیط کشت مایع، سطح بیشتری را برای انتقال جرم فراهم می سازد. همچنین، کاهش اندازه حباب گاز موجب حرکت کندتر آن در محیط کشت مایع می گردد که در نهایت زمان ماند آن را در بیوراکتور افزایش می دهد [14]. برای مقایسه نرخ انتقال جرم در بین انواع مختلف بیوراکتورها از پارامتر “ضریب انتقال جرم حجمی گاز- مایع (KLa)” استفاده می گردد که به شرایط هیدرودینامیکی در داخل بیوراکتور وابسته است [108]. در این رابطه، بیوراکتورهای همزن دار بیشترین استفاده را در جهت بهبود ضریب انتقال جرم دارند. استفاده از پروانه در راکتورهای همزن دار تنش هیدرودینامیکی ایجاد می کند که حبابهای بزرگ را می شکند تا به ذرات کوچکتر تبدیل شده و بدین ترتیب سطح موجود برای انتقال جرم را افزایش می دهند. افزایش سرعت گاز موجب ازدیاد KLa می گردد، هرچند شدت جریانهای زیاد گاز می توانند اثر معکوس روی میزان تبدیل سوبسترای گازی داشته باشند و آن را کاهش دهند که این بازده تبدیل کاهش یافته را می توان با ایجاد جریان گاز بازگشتی بهبود بخشید [24].
یونسی و همکارانش [32] تولید پیوسته هیدروژن از گاز سنتز توسط باکتری روبروم را در بیوراکتور همزن دار 2 لیتری مورد بررسی قرار دادند. تاثیر دور همزن (500-150rpm) و شدت جریان گاز (14-5 میلی لیتر در دقیقه) روی تولید هیدروژن در یک بازه زمانی 60 روزه مطالعه گردید. نتایج حاصله نشان داد که میزان هیدروژن تولیدی و ضریب انتقال جرم با افزایش دور همزن و شدت جریان گاز بهبود یافت. هرچند، با افزایش شدت جریان گاز از 5 به 14 میلی لیتر در دقیقه، میزان تبدیل CO از 95 به 87% کاهش یافت. حداکثر میزان هیدروژن تولیدی 16 میلی مول بر گرم سلول بر ساعت و بازده 80% در دور همزن 500rpm و شدت جریان گاز 14 میلی لیتر بر دقیقه حاصل گردید. در این شرایط، ضریب انتقال جرم 8/72 (بر ساعت) به دست آمد. در تحقیق دیگری که توسط اسماعیل و همکارانش [63] انجام گرفت، تاثیر دور همزن (rpm 800-350) روی KLa و تولید هیدروژن توسط باکتری روبروم مطالعه گردید. با وجود آنکه افزایش دور همزن از 350 به rpm 800 موجب ازدیاد ضریب انتقال جرم از 2/52 به 2/162 (بر ساعت) گردید و تولید هیدروژن را از 3/5 به 12 میلی مول در لیتر بهبود بخشید، اما کف کردن مشکل اساسی در دورهای بالاتر از rpm 700 بود. این پدیده نامطلوب موجب کاهش تولید هیدروژن و KLa پس از 48

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، اکسیداسیون، فیزیولوژی Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، تجاری سازی، جاری سازی