منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، مدل ترکیبی، دی اکسید کربن، رگرسیون

دانلود پایان نامه ارشد

ویژه، EtOH/Ac (مول بر مول): نسبت اتانول به استات

4-4 مطالعات کینتیکی
به منظور مطالعه کینتیک فرایند تخمیر گاز سنتز در آزمایشهای ناپیوسته، باکتری روی گاز سنتز در فشارهای مختلف گاز رشد داده شد. کینتیک رشد سلول روی سوبسترای گازی (H2 و CO)، مصرف سوبسترای گازی، ضرایب انتقال جرم و کینتیک تولید محصول در این آزمایشها مورد بررسی قرار گرفتند.

4-4-1 کینتیک رشد سلول
در محیط کشت ناپیوسته لانگالی، رشد نمایی سلولها بدون هیچ فاز تاخیری آغاز گردید. علت این مساله، تلقیح کردن محیط کشت ناپیوسته با استفاده از سلولهایی (مایه تلقیح) بود که در بیوراکتور با گاز سنتز رشد داده شده بودند و به مصرف گاز سنتز به عنوان سوبسترا عادت کرده بودند. رشد سلولها در محیطهای کشت مختلف، با فشارهای متفاوت گاز، به یک میزان بیشینه رسیده و پس از آن دانستیه سلولی کاهش یافت بدون آنکه سلولها وارد فاز سکون شوند. به منظور توصیف پروفایل رشد سلول لانگالی روی گاز سنتز در فشارهای گاز مختلف، از مدل کینتیکی ولترا استفاده گردید. شکل 4-16 استفاده از مدل ولترا را برای رشد سلول لانگالی در محیط کشت ناپیوسته با فشارهای مختلف گاز نشان می دهد. همان طور که در این شکل دیده می شود، مدل ولترا تطابق بسیار خوبی با یافته های آزمایشگاهی داشته و در همه فشارها ضریب رگرسیون (R2) بالایی حاصل گردید. پارامترهای کینتیکی این مدل در جدول 4-5 ارائه شده اند.

شکل ‏416: استفاده از مدل ولترا برای توصیف پروفایل رشد سلولی در فشارهای مختلف گاز
●: 2/0، ○: 5/0، ▼: 8/0، Δ: 0/1، :■ 2/1، □: 5/1 اتمسفر و ____ معادله (4-8)
جدول ‏45: پارامترهای کینتیکی به دست آمده بر اساس مدل ولترا برای رشد سلول لانگالی روی گاز سنتز
R2
k
(بر ساعت)
µm
(بر ساعت)
xm
(میلی گرم بر لیتر)
x0
(میلی گرم بر لیتر)
فشار اولیه گاز
(اتمسفر)
972/0
008/0
153/0
79/70
07/47
2/0
947/0
031/0
155/0
51/97
92/43
5/0
969/0
025/0
185/0
94/98
80/42
8/0
987/0
033/0
196/0
89/150
48/44
0/1
991/0
042/0
145/0
53/135
76/44
2/1
948/0
034/0
138/0
00/101
87/41
5/1

همان طور که قبلا اشاره شد، ثابت k به افزایش یا کاهش جمعیت سلولی مربوط می گردد. مقدار منفی k نشان دهنده رشد افزایشی جمعیت سلول است، در حالیکه، مقدار مثبت k نمایانگر حالتی است که ترکیبات سمی اثر بازدارندگی روی رشد سلول اعمال کرده اند. در این آزمایش در همه فشارها مقدار مثبت برای k حاصل گردید که نشان می دهد رشد سلول پس از رسیدن به یک مقدار بیشینه روند کاهشی داشته که این مساله به اثرات بازدارندگی CO روی رشد سلول مربوط می شد. به طور کلی، در فرایندهای بیولوژیکی، واکنشگرها، محصولات یا آلودگی ها می توانند اثرات بازدارندگی روی رشد سلول و یا تولید محصول داشته باشند. در فرایند تخمیر گاز سنتز، CO می تواند شایع ترین عامل و منبع بازدارنده باشد. دی اکسید کربن (CO2) نیزمی تواند با تغییر pH محیط از طریق تشکیل اسید کربونیک یا مشتقات آن اثر بازدارندگی در محیط کشت ایجاد کند [56]. هرچند، در این آزمایشها تغییر چشمگیری در pH محیط کشت حاصل نشد بنابراین CO2 نمی توانست عامل بازدارنده باشد. افزایش فشار جزئی H2 در فاز گاز یا تجمع آن در محیط کشت می تواند با تغییر جریان کربن در مسیر متابولیکی میکروارگانیزمها اثر بازدارندگی روی فرایند تخمیر اعمال کند [72]. با این وجود، حلالیت H2 در محیط کشت مایع بسیار کمتر از CO است [24]، بنابراین، در این آزمایشها CO به عنوان اولین عامل بازدارندگی فرض گردید.
همان طور که در شکل 4-16 مشاهده می گردد، رشد سلولی پس از رسیدن به یک مقدار بیشینه کاهش یافت بدون اینکه سلولها وارد فاز سکون شوند. از این نتایج چنین استنباط گردید که جمعیت سلولی در بیوراکتورهای ناپیوسته به اندازه کافی نبوده تا همه CO ای را که به فاز مایع منتقل می شده مصرف کند. این مساله احتمالا منجر به افزایش غلظت CO در فاز مایع گردید که در نهایت اثر بازدارندگی روی رشد سلول ایجاد کرده و موجب مرگ سلولها شد. چنین اثرات بازدارندگی در فشارهای بالاتر گاز سنتز تشدید گردید. با وجود آنکه افزایش گرادیان غلظت موجب ازدیاد نرخ انتقال جرم می شود، اما چنانچه نرخ انتقال جرم بیشتر از نرخ مصرف CO توسط سلولها باشد اثر بازدارندگی روی رشد سلولها اعمال می کند.
بر اساس مطالعات بایلی و الیس315 [122]، هنگامی که رشد سلول میکروبی با بیش از یک سوبسترا محدود می شود، برای توصیف رشد سلول ممکن است سه شکل مختلف از مدلهای رشد با چند سوبسترا در نظر گرفته شود:
1) تعاملی316 یا ضربی317:
µ/µmax=[µ(S1)][µ(S2)]…[µ(Si)] (4-14)
2) افزایشی:
µ/µmax= [µ(S1) + µ(S2) + … + µ(Si)]/i (4-15)
3) غیر-تعاملی:
µ/µmax= µ(S1) or µ(S2) or … or µ(Si) (4-16)

در بررسی کینتیک رشد باکتری لانگالی فرض گردید که لانگالی می تواند روی هر کدام از سوبستراهای محدود کننده یعنی هیدروژن و منوکسید کربن، بر اساس معادلات (4-9) تا (4-12) رشد کند و رشد سلول در غیاب هیچ کدام از آنها به تعویق نمی افتد. برای اثبات چنین فرضیه ای، منحنی رشد سلول بر اساس مصرف هر دو سوبسترا (H2 و CO) ترسیم گردید (شکل 4-17). وجود رابطه ای خطی در این نمودار نشان داد که هر دو سوبسترا برای تولید و رشد سلول مصرف گردیده اند. وگا و همکارانش318 [123]، در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری پپتوسترپتوکوکس پروداکتاز319، برای تعیین اینکه کدامیک از سوبستراهای CO و CO2/H2 برای رشد سلول و تولید استات مناسبند، آزمایشهای ناپیوسته ساده ای را در حضور هر دو سوبسترا در فاز گاز انجام دادند. سپس منحنی رشد سلول و تولید استات را بر حسب CO و CO به همراه H2 ترسیم کردند. آنها دریافتند که رابطه ای خطی میان CO مصرف شده و رشد سلول وجود داشت، در حالیکه، هیچ رابطه ای بین رشد سلول و مصرف هر دو سوبسترا مشاهده نگردید. در مقابل، تولید استات با مصرف هر دو سوبسترا رابطه خطی داشت. بر اساس این نتایج، آنها چنین استنباط کردند که CO به تنهایی در رشد سلول نقش داشته، در حالیکه، هر دو سوبسترا در فرایند تولید استات مصرف شدند.

شکل ‏417: رشد سلول به صورت تابعی از H2 و CO مصرف شده در فشار اولیه 0/1 اتمسفر

با توجه به مصرف همزمان هر دو سوبسترا برای رشد سلول در این آزمایشها، کینتیک رشد سلول از مدل افزایشی (4-15) پیروی کرده و معادلات (4-14) و (4-16) برای پیش بینی کینتیک رشد در خصوص این آزمایشها مناسب نبودند.
برای توصیف نرخ رشد ویژه سلول(µ) به عنوان تابعی از غلظت هر دو سوبسترا (CO, H2)، مدلهای کینتیکی مختلف برای رشد سلول بر روی سوبسترای تکی بر اساس معادله (4-15) با یکدیگر ترکیب شدند. مدلهای مورد استفاده که شامل مدلهای پیش بینی کننده اثر بازدارندگی سوبسترا نیز بودند در جدول 4-6 ارائه شده اند.

جدول ‏46: مدلهای کینتیکی مختلف بر اساس سوبسترای تکی برای ارائه مدل رشد با سوبسترای دوتایی
معادله مدلها
مدلهای کینتیکی

مونود320

تسیر321

موزر322

اندرو323

ادوارد324

نمایی دوتایی325

هالدین326

لانگ327

برای توصیف کینتیک رشد لانگالی روی گاز سنتز، از ترکیبهای افزایشی (بر اساس معادله (4-15)) چندین مدل کینتیکی که در جدول 4-6 ارائه شده اند استفاده گردید. مجموع تفاضل مربعات328 (SSD) بین نرخ رشد ویژه تجربی (expµ) که از یافته های آزمایشگاهی حاصل گردید و مقدار محاسبه شده آن که از مدلهای ریاضی (modelµ) به دست آمد به عنوان تابع هدف329 تعریف گردید:
(4-17)

برای محاسبه پارامترهای بیوکینتیکی از یافته های آزمایشگاهی لازم بود تا این تابع هدف مینیمم شود. برای تعیین نرخ رشد ویژه تجربی (expµ)، از قانون متهیوس330 که برای توصیف رشد نمایی سلول است استفاده گردید:
(4-18)

که در آن x دانسیته سلولی (گرم بر لیتر)، µ نرخ رشد ویژه (بر ساعت) و t زمان (ساعت) است. انتگرال گیری از این معادله با شرط x0 در زمان t=0 و x در هر زمان منجر به رابطه خطی زیر می گردد:
(4-19)

رابطه (4-19) نشان دهنده رشد سلول در فاز نمایی است که برای محاسبه µ به کار می رود. شکل 4-18 ترسیم رابطه (4-19) را بر اساس یافته های آزمایشگاهی در فشار گاز 0/1 اتمسفر نشان می دهد. شیب خط ترسیم شده بیانگر نرخ رشد ویژه سلول است.
به منظور افزایش دقت مدل دو پارامتری، داده هایی مشابه یافته های آزمایشگاهی به صورت تصادفی در محدوده فشارهای فاز مایع CO و H2 و نرخهای رشد ویژه آزمایشگاهی (برای فشارهای مختلف گاز سنتز) با استفاده از تابع standard Excel RAND تولید شدند. داده های تولید شده جهت ارزیابی مناسب بودن مدلهای کینتیکی بسط داده شده برای پیش بینی نرخ رشد لانگالی با سوبسترای دوتایی استفاده گردیدند. از نرم افزار SigmaPlot®11 برای بسط مدلهای کینتیکی ترکیبی و محاسبه پارامترهای بیوکینتیکی استفاده گردید. مدلهایی که مقادیر منفی، بسیار بزرگ یا خارج از محدوده ثوابت بیوکینتیکی ایجاد کرده بودند، پذیرفته نشدند. بهترین مدلهای رشد برای سوبسترای دوتایی که از ترکیب افزایشی مدلهای مختلف (تک سوبسترا) حاصل شدند در جدول 4-7 ارائه گردیده اند.

شکل ‏418: تعیین نرخ رشد ویژه لانگالی روی گاز سنتز در فشار 0/1 اتمسفر

پارامترهای بیوکینتیکی محاسبه شده و مقادیر SSD برای هر مدل ترکیبی در جدول (4-7) ارائه شده است. کمترین مقدار SSD به دست آمده مربوط به مدلی بود که از ترکیب مدلهای کینتیکی لانگ و مونود حاصل شد. بنابراین، این مدل به عنوان بهترین مدل کینتیکی برای توصیف رشد لانگالی روی CO و H2 انتخاب گردید:
(4-20)

که در آن µmax حداکثر نرخ رشد ویژه (بر ساعت)، Ks,CO وKs,H2 ثابت مونود برای CO و H2 (اتمسفر) هستند، Sm,CO حداکثر غلظت بازدارندگی CO است که در آن غلظت هیچ رشدی مشاهده نمی شود و n ثابت مدل لانگ بوده که به رابطه بین µ و S مربوط می گردد [124]. پارامترهای بیوکینتیکی به دست آمده برای این مدل عبارتند از: 195/0 µmax= (بر ساعت)، 855/0Ks,CO= و 412/0Ks,H2= (اتمسفر)، 743/0Sm,CO= (اتمسفر) و 465/0 n=. شکل 4-19 نرخ رشد ویژه را به صورت تابعی از فشار CO و H2 محلول نشان می دهد که در آن یافته های آزمایشگاهی با معادله (4-20) مطابقت داده شدند.

شکل ‏419: نرخ رشد ویژه پیش بینی شده از معادله (4-20) که با یافته های آزمایشگاهی تطابق داده شد

جدول ‏47 : مدلهای رشد بسط داده شده بر اساس سوبسترای دوتایی برای توصیف کینتیک رشد لانگالی روی CO و H2، پارامترهای کینتیکی و SSD
SSD

n

Sm, CO
(اتمسفر)
KI, CO
(اتمسفر)
KS, H2
(اتمسفر)
Ks, CO
(اتمسفر)
µmax
(بر ساعت)
مدل کینتیکی*
0009/0
4652/0
7432/0

4124/0
8551/0
1951/0
لانگ + مونود
0010/0


3741/0
3006/0
3051/0
1763/0
نمایی دوتایی + مونود
0010/0
4736/0
7431/0

4120/0
8524/0
1600/0
لانگ + تسیر
0010/0


3740/0
3008/0
3051/0
1764/0
نمایی دوتایی + موزر
0011/0
1249/0
7470/0

3001/0
3070/0
1009/0
لانگ + موزر
0013/0


4713/0
3990/0
6353/0
1473/0
نمایی دوتایی + تسیر
0014/0


4001/0
3290/0
0380/1
1555/0
اندرو + تسیر
0014/0


6998/0
3912/0
6396/0
1755/0
ادوارد + مونود
0014/0


6243/0
3990/0
8110/0
1585/0
ادوارد + تسیر
0015/0


4876/0
3778/0
6995/0
1650/0
اندرو + مونود
0015/0


7315/0
4050/0
5393/0
1580/0
هالدین + موزر
0016/0


7128/0
3749/0
5573/0
1549/0
هالدین + مونود
• در هر مدل ترکیبی، مدل اول برای CO و مدل دوم برای H2 استفاده شده است

4-4-2 کینتیک مصرف سوبسترای گازی
باکتری بی هوازی لانگالی می تواند CO را از طریق مسیر متابولیکی وود-لانگال مصرف کرده و مطابق واکنشهای (4-11) و (4-12) استات و

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره اکسیداسیون، بازدارندگی Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، رگرسیون، رگرسیون خطی