منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، تجاری سازی، جاری سازی

دانلود پایان نامه ارشد

ساعت گردید که احتمالا به کاهش حجم مفید راکتور و تجمع واکنشگرها و یا محصولات در کف تولید شده، مربوط می شد. آنها همچنین گزارش کردند که استفاده از میکرواسپارجر193 برای فرستادن گاز به درون محیط کشت مایع حبابهای بسیار ریزی194 ایجاد می کرد که میزان تولید هیدروژن را 40-15% نسبت به زمانی که از اسپارجر معمولی استفاده می شد، افزایش داد.
مطالعه هیدرودینامیک بیوراکتورهای همزن دار منجر به پیشرفتهایی در طراحی همزن شد که می توانست در تغییر دادن الگوی جریان، بازده توان و زمان هم زدن مفید باشد. در این زمینه، آنژرمن و هیندل195 [107] از یازده همزن با طراحی های متفاوت در بیوراکتور همزن دار استفاده کردند و اثرات آنها را روی KLa و توان مورد نیاز در فرایند تخمیر گاز سنتز بررسی کردند. نتایج این بررسی نشان داد که بیشترین KLa با همزن دوتایی راشتون196 حاصل گردید، اما این همزن بیشترین مصرف توان را داشت. برای رسیدن به ضریب انتقال جرمی نزدیک به آنچه که با همزن دوتایی راشتون به دست آمده بود اما مصرف توان قابل قبول، آنها استفاده از همزنهای دوتایی که تقعر پروانه شان کم است، به خصوص در شدت جریان گاز بالا، را توصیه کردند.
با وجود آنکه افزایش دور همزن شکستن و تفکیک حبابها را زیاد می کند و انتقال جرم گازهای با حلالیت کم را افزایش می دهد، اما استفاده از دورهای بسیار بالا و اختلاط شدید تنش مازادی را ایجاد می کند که موجب آسیب زدن به میکروارگانیزمهایی می شود که به تنش حساسند و منجر به از دست دادن فعالیت و پارگی سلولها می شود [63, 107]. مساله مهمتر این است که استفاده از توان ورودی بالا از لحاظ اقتصادی برای تجاری سازی فرایندهای تخمیر گاز سنتز به صرفه نیست. در مقابل، استفاده از راکتورهای بستر چکنده197 و ستون حبابی198 که نیاز به همزن مکانیکی ندارند ممکن است هزینه انرژی را کاهش دهد.
راکتورهای بستر چکنده ممکن است در حالت گاز-پیوسته یا مایع-پیوسته بهره برداری شوند. در راکتورهای گاز-پیوسته، مقاومت انتقال جرم کمی در سمت گاز برای گازهای با حلالیت کم وجود دارد. بنابراین، افزایش شدت جریان گاز روی ضریب انتقال جرم (KL) و سطح ویژه (a) تاثیر چندانی ندارد. به همین دلیل ممکن است شدت جریان گاز در حداقل میزان ممکن حفظ شود تا بتوان به میزان تبدیل بالا دست یافت، بدون آنکه افت زیادی در KLaایجاد کند. در مقابل، در راکتورهای مایع-پیوسته، شدت جریان گاز به شدت روی سطح در دسترس برای انتقال جرم تاثیر می گذارد. در این مورد، برای به دست آوردن KLa بالا باید سرعت گاز افزایش یابد، اما ممکن است ایجاد جریان گاز بازگشتی199 برای رسیدن به بازده تبدیل بالا لازم باشد [24].
در راکتورهای ستون حبابی می توان به نرخ انتقال جرم بالا دست یافت و هزینه کم عملیات و نگهداری این سیستمها از اولین مزایای این راکتورها محسوب می شوند، اما معایبی مانند اختلاط پشتی200 و درهم آمیختگی201 از مشکلات اصلی این سیستمها به شمار می آیند [14, 90].
کلاسون و همکارانش202 [109] از یک کشت ترکیبی که شامل باکتری فتوسنتزی روبروم بود برای تبدیل CO به CO2 و H2 از طریق واکنش جابجائی آب-گاز و پس از آن تبدیل CO2 و H2 به CH4 با استفاده از باکتریهای متانوژنیک متانوباکتریوم فرمیسیوم203 و متانوباکتریوم بارکری204 استفاده کردند. دو نوع بیوراکتور برای انجام این فرایندها به کار گرفته شد؛ یک راکتور پر شده ستون حبابی205 و یک راکتور بستر چکنده. برای انجام این فرایند از کشت ترکیبی که شامل دو نوع باکتری متانوژنیک بود استفاده گردید زیرا باکتری فرمیسیوم H2 را با نرخ بالایی مصرف می کرد اما حضور CO اثر بازدارندگی روی آن داشت، درحالیکه، باکتری بارکری تحمل بالاتری نسبت به CO داشت اما H2 را با نرخ پائینی تبدیل می کرد. با تخمیر جریان گازی حاوی 55% CO، 20% H2، 10% CO2 و 15% Ar آنها به بازده محصول (YCH4/H2) 34/0 و 2/0 در راکتور پر شده ستون حبابی و بستر چکنده دست یافتند. میزان تبدیل CO در راکتور بستر چکنده 100% بود، در حالیکه آنها نتوانستند به بازده بالاتر از 79% در راکتور ستون حبابی برسند. دلیل رسیدن به میزان تبدیل بالاتر در راکتور بستر چکنده احتمالا به زمان ماند طولانی تر و انتقال جرم بهتر مربوط می شد که در نتیجه تخلخل مایع ( L) کمتر در این راکتور بود. همچنین، تولید محصول در راکتور بستر چکنده (4/3 میلی مول متان بر لیتر بر ساعت) به طور قابل ملاحظه ای از راکتور پر شده ستون حبابی (4/0 میلی مول متان بر لیتر بر ساعت) بالاتر بود. در راکتور بستر چکنده، ضریب انتقال جرم بسیار بزرگتر (780 بر ساعت) از راکتور پر شده ستون حبابی (5/3 بر ساعت) بود.
در راکتورهای سلول تثبیت شده206 می توان به دانسیته سلولی بالا دست یافت و این سیستمها همانند راکتورهای لوله ای عمل می کنند. نسبت بالای سطح به حجم در این راکتورها نرخ انتقال جرم را بهبود بخشیده و احتمال اختلاط پشتی را کاهش می دهند. در این بیوراکتورها، تماس مستقیم میکروب با سوبسترای گازی مقاومت نفوذ را کاهش می دهد. همچنین، دانسیته سلولی بالا در این راکتورها زمان ماند را کاهش می دهد. هرچند، رشد بیش از اندازه سلولها می تواند فضاهای میانی را کاملا مسدود کرده و مشکلات جدی کانالیزه شدن جریان را به وجود آورد. این بیوراکتورها برای استفاده در فرآیندهای مختلف انعطاف پذیر نیستند و طراحی آنها به ابعاد ستون و پرکن ها محدود شده و بنابراین میزان تماس دراین راکتورها تقریبا همواره ثابت است. این مساله به عنوان عیب عمده این بیوراکتورها محسوب می شود [45].
استفاده از مواد شیمیائی که در فاز مایع حل می شوند، سمیت کمی از خود نشان می دهند و کشش سطحی را کاهش می دهند تا نرخ کلی انتقال جرم افزایش یابد می تواند برای بهبود انتقال جرم گاز-مایع مفید واقع شود. مواد شیمیائی مختلفی همچون بیوپلیمرها (زانتان گام207، دکستران208)، بیوسورفاکتانت209 (شوینده های بیولوژیکی210) و ترکیبات آلی (الکلهای با کربن بالا، ترکیبات پرفلوروکربن211) برای این منظور استفاده شده اند [30]. گدی و همکارانش [30] تاثیر کمک حلالها212 و سورفاکتانتهای مختلف را روی انتقال جرم در محیط کشت ناپیوسته باکتری بی هوازی باسیلوس سیمیتی213 ERIH2 بررسی کردند. افزودن 1/0% حجمی از شوینده های TRITON N-101TM، NONIDET P-40TM، Triton X-100 و TYLOXAPOLTM ضریب انتقال جرم را به ترتیب 84، 107، 203 و 340% در مقایسه با نمونه شاهد افزایش داد. آنها چنین استدلال کردند که کف کردن در این آزمایشها نشانه تاثیر مثبت این شوینده های بیولوژیکی در کاهش کشش سطحی، به جای افزایش حلالیت CO در فاز مایع، بود.
گزارشهایی وجود دارند که افزودن ذرات کوچک یا کاتالیست به محیط کشت می تواند انتقال جرم گاز-مایع را بهبود ببخشد. با هدف افزایش ضریب انتقال جرم، زو و همکارانش214 [110] نانوذرات کروی MCM41 را سنتز کرده و آنها را با گروههای عاملی مختلفی مانند متیل، نیتریل پروپیل215، کربوکسیل پروپیل216 و مرکاپتوپروپیل217 پیوند زدند. نتایج آزمایشهای آنها نشان داد که وجود گروه هیدروکسیل روی نانوذرات میزان انتقال جرم CO را افزایش داد. این مساله به جذب CO از حباب گاز توسط این گروههای عاملی و سپس آزاد سازی آن در آب مربوط می شد. در آزمایش دیگری [111]، آنها نانوذرات ساخته شده را در فرایند تخمیر گاز سنتز (2/48% CO، 8/31% H2 و 20% CO2) به H2 توسط باکتری روبروم به کار بردند. استفاده از 6/0% وزنی از نانوذره MCM41 که با مرکاپتومتیل عامل دارشده بود، بازده تولید هیدروژن را 20% افزایش داد. این بهبود در بازده H2 به افزایش انتقال جرم CO در حضور نانوذرات مربوط می شد.

2-5-8 تاثیر فشار سوبسترای گازی
در فرایندهای تخمیر ناپیوسته، هنگامی که دانسیته سلولی به حد مشخصی رسید، مصرف گازهای کم محلول مانند CO و H2 تحت کنترل انتقال جرم قرار می گیرد. در این موارد، نرخ مصرف سوبسترای گازی به ازای واحد حجم218 با فشار جزئی آن جزء در فاز گاز متناسب می شود [112]. فشار جزئی گاز می تواند تاثیر قابل ملاحظه ای روی رشد میکروبی و توزیع محصولات داشته باشد زیرا آنزیمهای درگیر در فرایند متابولیکی سلول نسبت به سوبسترا حساسند [113]. نرخ واکنش نیز به صورت خطی با فشار گاز افزایش می یابد که منجر به کاهش زمان ماند موثر می شود. استفاده از سوبسترای گازی در فشارهای بالا حجم راکتور را نیز کاهش می دهد [20].
همانگونه که قبلا اشاره شد، در غیاب H2 در سوبسترای گازی، CO می تواند به عنوان الکترون دهنده از طریق آنزیم CODH عمل کند. بنابراین، افزایش فشار جزئی CO تولید خالص الکترون با CODH را افزایش می دهد. هرچند، در مورد ارگانیزمهایی که مقاومت کمتری نسبت به CO دارند، مشاهده شده است که افزایش فشار جزئی CO منجر به طولانی شدن زمان دو برابرشدن219 سلولها گردیده است [14]. سیم و همکارانش220 [75] تبدیل CO به اسید استیک توسط باکتری استیکوم221 را در فشارهای جزئی مختلف CO از 4/1 تا 02/2 اتمسفر بررسی کردند. مشاهده گردید که سلولها تحمل بالایی در مقابل CO داشته و فشارهای بالای CO اثر بازدارندگی روی رشد سلول ایجاد نکرد. با وجود آنکه بیشترین بازده سلولی 63/893 میلی گرم در فشار جزئی 02/2 اتمسفر CO حاصل گردید، اما این فشار منتج به بیشترین میزان مصرف CO و تولید اسید استیک نگردید. این شرایط احتمالا به دلیل تحلیل رفتن سلولها222 در اثر کاهش انتقال CO از فاز گاز به مایع، به دلیل کاهش نیروی محرکه بوده است. در فشار جزئی 55/1 اتمسفر CO، بیشترین میزان اسید استیک تولید شد (27/2 گرم بر لیتر) و بازده تبدیل 100% CO در مدت 72 ساعت حاصل گردید. در مطالعه دیگری که توسط گدی و همکارانش [30] انجام گرفت، باکتری روبروم در فشارهای جزئی مختلف CO از 8/0 تا 4/1 اتمسفر رشد داده شد. بر اساس مشاهدات آنها، تاثیر فشار جزئی روی نرخ مصرف CO، رشد سلول و بازده هیدروژن تا فشار 4/1 اتمسفر محسوس نبود.
مشاهده شده است که رشد گونه ای از باکتری سیتروباکتر223 که از انواع باکتریهای بی هوازی اختیاری محسوب می شود در شرایط هوازی بسیار سریعتر بوده است [33]. هرچند، تولید H2 فقط در شرایط بی هوازی مشاهده گردید. در تحقیقی برای بررسی اثر فشار جزئی CO روی تولید H2 توسط این باکتری، جانگ و همکارانش224 [59] فشار جزئی CO را در فاز گاز از صفر تا 5/0 اتمسفر تغییر دادند. بر اساس مطالعات آنها، فشار جزئی 05/0 اتمسفر فشار مناسبی بود که در آن بیشترین میزان رشد سلول و تولید محصول به دست آمد و افزایش فشار به بیشتر از این مقدار بهینه، موجب کاهش فعالیت تولید هیدروژن و نرخ رشد گردید. آنها از نتایج حاصله این طور استنباط کردند که رشد باکتریهای بی هوازی به میزان کمی تحت تاثیر CO قرار می گیرد، در حالیکه حضور CO، اثر بازدارندگی روی رشد باکتریهای بی هوازی ایجاد می کند که این مساله به تداخل CO در زنجیره انتقال الکترون مربوط می شود. حضور CO از جفت شدن سیتوکروم اکسیداز225 با اکسیژن در سیستم انتقال الکترون جلوگیری می کند.
کلاسون و همکارانش226 [45]، تاثیر فشار جزئی اولیه CO را روی نرخ جذب CO توسط باکتری پپتوستروپتوکوکس پروداکتاز227 مطالعه کردند. رابطه ای خطی بین نرخ واکنش و فشار جزئی CO تا فشارهای 6/1 اتمسفر وجود داشت. در فشار جزئی 5/2 اتمسفر، تنها زمان کوتاهی برای مصرف CO وجود داشت و پس از آن سلولها نمی توانستند CO را مصرف کنند. این مساله احتمالا به کافی نبودن غلظت سلولی مربوط می شد که نمی توانست واکنش را در مرحله کنترل شده با انتقال جرم نگه دارد و برای سلولها مسمومیت ایجاد می کرد. آنها آزمایش را به گونه ای طراحی کردند که از فشار جزئی بالا، پس از آنکه غلظت سلولی به حد مطلوبی رسید استفاده کنند. آنها از یک فرایند تدریجی چند مرحله ای برای افزایش فشار CO، پس از آنکه غلظت سلولی بالایی به دست آمد، استفاده کردند. بدین ترتیب، آنها موفق شدند که فشار جزئی CO را تا 10 اتمسفر افزایش دهند.
هارست و لوئیس228 [114] مطالعاتی را روی

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، بازدارنده ها، دینامیکی Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی