منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، مواد غذایی، تغییرات جمعیت، تغییرات جمعیتی

دانلود پایان نامه ارشد

متهیوس265 است که به صورت زیر بیان می شود [116]:
(3-1)

که در آن x دانسیته سلولی (گرم بر لیتر)، µ نرخ رشد ویژه (بر ساعت) و t مدت زمان فرایند تخمیر (ساعت) است. مدل متهیوس تنها برای توصیف رشد سلول در فاز نمایی کاربرد دارد. فاز رشد نمایی مهمترین فاز رشد میکروبی است به خصوص در مورد محصولاتی که به رشد سلول266 وابسته اند. عمده رشد در محیط کشت سلولی در فاز نمایی اتفاق می افتد و دو برابر شدن تناوبی بیومس در این فاز رخ می دهد. اما سلولها نمی توانند این فاز رشد را برای مدت زمان نامحدود حفظ کنند و پس از مدتی وارد فاز سکون می گردند. پرل و رید267 معادله (3-1) را با افزودن عبارتی که اثرات بازدارندگی را در غلظتهای بالای سلول لحاظ می کرد به صورت زیر تصحیح کردند [116]:
(3-2)

عبارت دوم در معادله فوق فرض می کند که “بازدارندگی” با توان دوم غلظت سلولی متناسب است و انتگرال گیری از آن منجر به معادله لجستیک268 می شود:
(3-3)

که در آن ثابت k در واقع حداکثر نرخ رشد ویژه در محیط کشت و γ معکوس غلظت نهایی سلول (xm) است. با این تعاریف می توان معادله لجسیک را به صورت زیر بازنویسی کرد [116]:
(3-4)

مدل لجسیک می تواند فازهای تاخیر، نمایی و سکون را در پروفایل رشد سلولی توصیف کند اما قادر به توصیف فاز مرگ سلول نیست. برای ارائه مدل رشد جامعی که نرخ رشد و مرگ سلولها را شامل شود از مدل ولترا269 استفاده گردید. در یک محیط کشت ناپیوسته که به تازگی تلقیح شده است در ابتدا تعداد محدودی سلول زنده وجود دارد که با مصرف مواد مغذی فرایند رشد این سلولها آغاز می گردد. فرض می شود که تغییرات جمعیتی در این سلولها تنها با تولید و مرگ سلولها اتفاق می افتد و هیچ انتقالی از محیط بیرون در این شرایط صورت نمی گیرد. برای توصیف چنین شرایطی در قالب یک مدل ریاضی، مدل متهیوس برای اجزایی که بعد از تلقیح شروع به رشد می کنند به صورت زیر است [82]:
(3-5)

برای به دست آوردن تابعی خطی و کاهشی برای جمعیت سلولی، اثر بازدارندگی روی رشد سلول لحاظ گردید [82]:
(3-6)

که در آن x1 جمعیت سلولی در حال رشد و x2 جمعیت سلولی در حال کاهش در نتیجه تولید محصولات جانبی سمی یا تقلیل مواد غذایی (گرم بر لیتر) است. با جایگذاری معادله (3-6) در معادله (3-5) رابطه زیر حاصل می گردد:
(3-7)

که در آن xm حداکثر جمعیت سلولی (گرم بر لیتر) است. رابطه فوق نشان می دهد که تولید محصولات سمی و یا کمبود مواد مغذی در بیوراکتور ناپیوسته اثر بازدارندگی روی جمعیت سلولی ایجاد می کند. برای توصیف جمعیت سلولی در حال کاهش از رابطه (3-8) استفاده می شود [82]:
(3-8)

که در آن k ثابتی مربوط به افزایش یا کاهش جمعیت سلولهاست. مقدار مثبت k نشان دهنده شرایطی است که مواد سمی و یا کاهش مواد مغذی اثر بازدارندگی روی رشد سلولها ایجاد کرده است و مقدار منفی k نشان دهنده افزایش جمعیت سلولی با مواد مغذی است. با انتگرال گیری از معادله (3-8)، رابطه (3-9) به دست می آید:
(3-9)

با وارد کردن معادله (3-9) در معادله (3-7)، رابطه زیر حاصل می گردد:
(3-10)

معادله (3-10) به فرم معادله برنولی و یک معادله دیفرانسیل مرتبه اول غیر هموژن است. برای حل این معادله از تغییر متغیر استفاده می شود:
(3-11)

که در آن u متغیر جدید وابسته است. با استفاده از این تغییر متغیر معادله (3-10) به یک معادله خطی تبدیل می شود:
(3-12)

که یک معادله دیفرانسیل خطی مرتبه اول به فرم کلی زیر است:
(3-13)

با ضرب کردن رابطه (3-13) در عامل انتگرال گیری ، حل معادله حاصل می شود:
(3-14)

با به کارگیری این روش کلی برای معادله (3-12)، معادله زیر حاصل می شود:
(3-15)

و سپس:
(3-16)

با انتگرال گیری از معادله فوق، معادله (3-17) حاصل می گردد:
(3-17)

با جایگزینی معادله (3-11) در معادله (3-17) داریم:
(3-18)

با حل معادله فوق بر اساس شرط اولیه و با فرض محیط کشت خالص با جزء x معادله ولترا حاصل می شود:
(3-19)

بر خلاف مدل لجستیک که نمی تواند فاز مرگ سلولها را بعد از فاز سکون پیش بینی کند، این مدل قادر به توصیف فاز مرگ سلولی بوده و هرگونه بهبود یا بازدارندگی در رشد سلولها را در محیط کشت ناپیوسته توصیف می کند.

3-9-2 محاسبات انتقال جرم
3-9-2-1 انتقال جرم در سیستم ناپیوسته
فرایند تبدیل CO، CO2 و H2 در گاز سنتز به اتانول و استات توسط باکتری لانگالی فرایندی است که در چند فاز صورت می گیرد. ابتدا، سوبسترای گازی باید از فاز گاز به فاز مایع منتقل شود. سپس، گاز محلول در فاز مایع توسط ارگانیزم مصرف شده و به محصول مایع تبدیل می گردد. تنها مقدار کمی از سوبسترای محلول برای رشد باکتری مصرف شده و قسمت عمده آن به اتانول و استات تبدیل می شود.
شمای کلی این فرایند تبدیل را می توان با رابطه زیر نشان داد:
(3-20)

در رابطه (3-20)، سوبسترای گازی با انتقال جرم به فاز مایع منتقل می شود و سپس دستخوش واکنش بیوکاتالیستی شده که طی آن به اتانول، استات و سلول تبدیل می گردد. در محیط کشت ناپیوسته، نرخ انتقال جرم با رابطه زیر توصیف می گردد:
(3-21)

که در آن KLa ضریب کلی انتقال جرم ضربدر سطح مشترک بین دو فاز است (بر ساعت) و این ضریب باید لزوما بدین شکل باشد چرا که اندازه گیری سطح مشترک گاز/مایع عملا غیر ممکن است. ضریب H، ثابت هنری CO در محیط کشت مایع (اتمسفر لیتر بر میلی مول) و نیروی محرکه برای انتقال جرم است (اتمسفر) که تابعی از فشار جزئی CO در فاز گاز و فاز مایع است.
معادله (3-21) را می توان در موازنه جرم CO در فاز گاز به کار برد. نرخ تغییر در تعداد مولهای CO در فاز گاز برابر با نرخ انتقال آنها از فاز گاز به محیط کشت مایع است که به صورت زیر بیان می شود:
(3-22)

در معادله (3-22) علامت منفی نشان دهنده کم شدن CO در فاز گاز است. حجم مایع که با Vl نشان داده شده است برای موازنه واحدها در رابطه گنجانده شده است چرا که واحد KLa/H، میلی مول CO بر اتمسفر بر لیتر بر ساعت است.
هنگامی که فرایند تخمیر در محیط کشت ناپیوسته پیشرفت می کند، جمعیت سلولی زیاد شده و به نقطه ای می رسد که در آن CO به محض اینکه وارد فاز مایع شد به سرعت توسط سلولها مصرف می گردد. در این زمان، واکنش کلی با نرخ انتقال جرم محدود شده و فشار جزئی CO در فاز مایع به صفر کاهش می یابد. در این شرایط، معادله (3-22) به صورت زیر ساده می گردد:
(3-23)

بر اساس معادله (3-23)، ترسیم بر حسب منجر به رابطه ای خطی می گردد که از شیب آن KLa/H حاصل می شود.

3-9-2-2 انتقال جرم در سیستم پیوسته
موازنه جرم CO در بیوراکتور به صورت زیر است:
(3-24)

که در آنCCO,in و CCO,out غلظتهای مولی CO در جریان ورودی و خروجی بیوراکتور (میلی مول در میلی لیتر)، vin و vout شدت جریان گاز ورودی و خروجی بیوراکتور (میلی لیتر در دقیقه)، rCO نرخ انتقال جرم CO از فاز گاز به فاز مایع (میلی مول بر لیتر بر دقیقه)، Vl حجم محیط کشت در بیوراکتور (میلی لیتر) و t مدت زمان فرایند تخمیر (دقیقه) است. برای نشان دادن نرخ انتقال جرم CO از فاز گاز می توان معادله (3-21) را با در نظر گرفتن فشار کل به صورت زیر باز نویسی کرد:
(3-25)

که در آن، yCO جزء مولی CO در فاز گاز و π فشار گاز کل (اتمسفر) است که از مجموع فشارهای جزئی CO، H2، CO2 و Ar حاصل می گردد:
(3-26)

با بهره گیری از قانون گاز ایده ال (PCO=CCORT) و جایگذاری رابطه (3-25) در معادله (3-24)، موازنه CO در سیستم پیوسته به رابطه زیر تبدیل می گردد:
(3-27)

با فرض حالت پایدار، عبارت مربوط به تجمع CO از رابطه فوق حذف می شود:
(3-28)

با بازآرایی معادله فوق، رابطه زیر حاصل می گردد:
(3-29)

با فرض یکسان بودن شدت جریان گاز ورودی و خروجی (vin=vout=vg) رابطه (3-29) به صورت زیر ساده می شود:
(3-30)

با استفاده از رابطه (میزان تبدیل CO) با فرض اینکه میکروارگانیزم CO محلول در فاز مایع را به عنوان سوبسترا مصرف کرده و بنابراین غلظت آن در فاز مایع مقداری نزدیک به صفر است، معادله (3-30) ساده سازی می شود:
(3-31)

با بازآرایی رابطه فوق، معادله زیر به دست می آید:
(3-32)

با رسم بر حسب 1/vg خطی حاصل می گردد که از شیب آن ضریب انتقال جرم در بیوراکتور حاصل می شود.

3-9-3 نرخ واکنش
بخش دوم از رابطه (3-20)، بیانگر نرخ واکنش بیوکاتالیستی سوبسترا به محصول است که به صورت زیر بیان می شود:
(3-33)

که در آن qCO نرخ مصرف ویژه270 CO (میلی مول CO بر گرم سلول بر ساعت) و x دانسیته سلولی در محیط مایع است (گرم بر لیتر). هنگامی که این معادله برای موازنه CO در فاز مایع به کار گرفته می شود، رابطه زیر حاصل می گردد:
(3-34)

بر اساس معادله (3-34) نرخ تغییر CO در فاز مایع (که با یا به صورت تغییرات فشار جزئی CO در فاز مایع نشان داده می شود) برابر است با نرخ انتقال CO به فاز مایع منهای نرخ مصرف آن در فاز مایع در نتیجه تبدیل بیوکاتالیستی. از این رابطه می توان برای تعیین نرخ مصرف ویژه CO، qCO،که در معادلات کینتیکی کاربرد دارد استفاده کرد.

4 فصل چهارم: نتایج آزمایشها و تحلیل داده ها

4-1 مقدمه
در این فصل به ارائه نتایج آزمایشها و بررسی و تحلیل یافته های آزمایشگاهی پرداخته می شود. نتایج مربوط به آزمایشهای ناپیوسته در غالب تاثیر سوبسترای آلی روی عملکرد محیط کشت، نقش همزمان عوامل کاهنده و pH در محیط کشت باکتری، تاثیر فشار گاز سنتز در محیط کشت ناپیوسته لانگالی و بررسی کینتیک آزمایش ناپیوسته ارائه می گردد. در ادامه، نتایج مربوط به آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور ارائه شده و تاثیر نرخ رقیق سازی، شدت جریان گاز سنتز و دور همزن بیوراکتور روی عملکرد باکتری در فرایند تخمیر مورد بحث و بررسی قرار می گیرد و با استفاده از یافته های آزمایشگاهی ضرایب انتقال جرم و پارامترهای مربوط به بازده فرایند محاسبه می گردند.

4-2 تاثیر سوبسترای آلی
باکتری لانگالی می تواند انواع مختلفی از سوبستراها را به اتانول و استات تخمیر کند. این باکتری مسیر متابولیکی پیچیده ای از خود نشان می دهد که هر دو فاز استوژنیک (تولید اسید) و سالونتوژنیک (تولید حلال) را شامل می شود. به منظور بررسی تاثیر سوبستراهای آلی مختلف در تحریک مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز سالونتوژنیک، از چهار سوبسترای آلی فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات در محیط کشت ناپیوسته باکتری لانگالی استفاده شد و نقش آنها در رشد سلول و تولید محصول مطالعه گردید.

4-2-1 رشد سلول و مصرف سوبسترا
رشد باکتری لانگالی در محیط کشت ناپیوسته با سوبستراهای فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات بررسی گردید. در فرایند رشد هتروترفیک باکتری روی گلوکز و فروکتوز، سوبسترای آلی از طریق مسیر متابولیکی امدن- میرهوف- پاراناس271 که به عنوان فرایند گلیکولایسیس272 نیز شناخته می شود به پیروات تبدیل می شوند. سپس، تبدیل اکسایشی پیروات، استیل-کوآنزیم A تولید می کند که یک ترکیب واسطه و مهم در چرخه متابولیکی استوژنهاست. باکتری از استیل-کوآنزیم A تولید شده برای تولید سلول و انرژی از طریق فرایندهای آنابولیک273 و کاتابولیک274 استفاده می کند. در مسیر آنابولیک، مقدار کمی از استیل-کوآنزیم A به صورت کاهشی کربوکسیله می شود تا در حضور آنزیم پیروات: فردوکسین اکسیدورداکتاز275 پیروات تولید کند. سپس پیروات تولید شده به فسفوانول پیروات276 تبدیل می گردد که یک ترکیب واسطه برای تشکیل اجزای سلولی است [116]. شکلهای 4-1 و 4-2 رشد باکتری لانگالی را روی فروکتوز و گلوکز و مصرف این سوبستراها را نشان می دهند.

شکل ‏41: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با فروکتوز
▼: فروکتوز، ♦: دانسیته سلولی، ▲: استات، ■: اتانول و ●: استون

شکل ‏42:

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره نمونه برداری Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره لانگالی، استیل-کوآنزیم، مول، متابولیکی