منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، رگرسیون، رگرسیون خطی

دانلود پایان نامه ارشد

اتانول تولید کند. این باکتری همچنین می تواند CO2 و H2 را به کمک آنزیمهایی مشابه آنچه که در چرخه استیل-کوآنزیم A دخالت دارند مطابق واکنشهای (4-9) و (4-10) به استات و اتانول تبدیل کند. در آزمایشهای انجام گرفته، در همه فشارها مصرف H2 بیشتر از CO بود. این نتایج نشان می دهد که باکتری H2/CO2 را بهتر از CO از طریق مسیر همواستیک331 مصرف می کرد. بیشترین میزان تبدیل سوبسترا 76% برای H2 و 67% برای CO بود که در فشار گاز اولیه 0/1 اتمسفر حاصل گردید.
برای توصیف مصرف گاز سنتز توسط باکتری لانگالی، از کینتیک واکنش درجه اول استفاده گردید. رابطه ای که مصرف گاز CO را درطول زمان تخمیر به شکل معادله دیفرانسیل مرتبه اول توصیف می کند به صورت زیر است:
(4-21)

رابطه ای که غلظت CO در فاز مایع را بر حسب زمان نشان می دهد، با انتگرال گیری از رابطه فوق حاصل می گردد:
(4-22)

که در آن و بیانگر فشارهای CO محلول در زمان اولیه و هر لحظه (اتمسفر)، kp ثابت سرعت واکنش درجه یک (بر ساعت) و t مدت زمان فرایند تخمیر است (ساعت).
شکل 4-20 کاهش CO محلول در محیط کشت را در بیوراکتورهای ناپیوسته با فشارهای مختلف نشان می دهد. همان طور که در این شکل دیده می شود، مدل واکنش درجه یک برای توصیف کینتیک مصرف CO مناسب بود و ضریب رگرسیون بالایی (94/0 R2) در همه فشارها حاصل گردید. بررسی تاثیر فشار اولیه گاز روی میزان مصرف سوبسترای گازی نشان دهنده اثرات بازدارندگی CO روی رشد سلول و مصرف سوبسترای گازی در فشارهای بالاتر از 0/1 اتمسفر بود. افزایش فشار اولیه گاز از 2/0 به 0/1 اتمسفر موجب بهبود نرخ انتقال جرم گردیده و در نتیجه میزان مصرف سوبسترای گازی را افزایش داد. هرچند، افزایش فشار گاز به بالاتر از 0/1 اتمسفر روی میزان مصرف گاز و رشد سلول تاثیر منفی داشت. در فشارهای بالا، غلظت CO محلول به حد مسمومیت رسید چرا که غلظت سلولی به اندازه کافی بالا نبود تا واکنش را در محدوده کنترل شده با نرخ انتقال جرم نگهدارد. افزایش فشار داخل بیوراکتور (بالاتر از 0/1 اتمسفر) موجب افزایش نرخ انتقال جرم به میزانی بالاتر از نرخ ذاتی واکنش بیولوژیکی گردید. در نتیجه، تجمع CO در فاز مایع و افزایش غلظت آن اثرات بازدارندگی روی رشد سلول و مصرف گاز ایجاد کرد. این نتایج نشان می دهد که فرایندهای با فشار بالا تا زمانی کاربرد دارند که غلظت سلولی به اندازه کافی زیاد باشد تا میزان CO محلول در فاز مایع را در حد کم حفظ کند و بدین ترتیب مانع از ایجاد هرگونه اثر بازدارندگی توسط CO شود.

شکل ‏420: تغییرات فشار جزئی CO اندازه گیری شده در فاز گاز (شکل داخلی) و فشار محاسبه شده CO در فاز مایع در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته
●: 2/0، ○: 5/0، ▼: 8/0، Δ: 0/1، :■ 2/1 و □: 5/1 اتمسفر

4-4-3 بررسی کینتیک نرخ مصرف سوبسترای گازی و انتقال جرم
به طور کلی در یک راکتور شیمیائی دو محدودیت عمده روی نرخ کلی واکنش وجود دارد که یکی مربوط به نرخ ذاتی واکنش و دیگری مربوط به نرخ انتقال جرم است. سرعت ذاتی واکنش، حداکثر نرخ واکنش با توجه به غلظت واکنشگرها و دماست. چنانچه انتقال جرم یک عامل محدود کننده نباشد، نرخ کلی مشاهده شده واکنش بسیار نزدیک به نرخ ذاتی واکنش خواهد بود. هرچند، هنگامی که انتقال جرم عامل محدود کننده سرعت باشد، واکنش نمی تواند با سرعتی بیش از سرعت انتقال واکنشگرها به محل واکنش پیش رود. اگر چه ممکن است نرخ ذاتی واکنش بالا باشد، اما چنانچه واکنشگرها با سرعت بالایی فراهم نشوند، واکنش کلی کند خواهد بود.
گازهایی همانند CO و H2 که حلالیت بسیار کمی در فاز مایع دارند روی نرخ انتقال جرم تاثیر می گذارند و عموما انتقال این واکنشگرها از فاز گاز به مایع در بیشتر انواع راکتورها یک عامل محدود کننده سرعت محسوب می شود. به طور کلی، چندین روش برای افزایش انتقال جرم وجود دارد. اول روش، افزایش ضریب انتقال جرم (kL) است که میزان انتقال جرم را بهبود می بخشد. این کار عموما با افزایش تلاطم، اغلب با افزایش شدت جریان مایع و یا گاز، انجام می گیرد. دومین روش، افزایش سطح لازم برای انتقال جرم است. روش سوم، افزایش غلظت واکنشگر درفاز گاز است که می تواند موجب افزایش گرادیان غلظت و بهبود انتقال جرم شود. در نهایت، چنانچه واکنشگر به سرعت در فاز مایع مصرف گردد، غلظت آن در فاز مایع کم خواهد بود که موجب افزایش انتقال جرم می گردد. اما چنانچه نرخ انتقال جرم از نرخ واکنش بیشتر باشد، غلظت واکنشگر در فاز مایع افزایش می یابد تا زمانی که به غلظت تعادلی در سطح مشترک گاز-مایع برسد. در آن زمان، گرادیان غلظت صفر شده و هیچ انتقال جرمی بین فاز گاز و مایع صورت نخواهد گرفت.
یکی از روشهای افزایش انتقال جرم در فرایند تخمیر گاز سنتز که سوبسترا در فاز گاز قرار دارد، پر فشار کردن راکتور است. افزایش فشار داخل راکتور موجب افزایش غلظت تعادلی CO در سطح مشترک گاز-مایع گردیده و میزان انتقال جرم به فاز مایع را افزایش می دهد. از نتایج به دست آمده در فشارهای مختلف بیوراکتور برای تعیین کینتیک نرخ مصرف CO استفاده گردید. بدین منظور، از مدل مونود تصحیح شده که توسط اندرو332 پیشنهاد شده بود و اثرات بازدارندگی CO به عنوان سوبسترا را پیش بینی می کرد استفاده گردید [105]:
(4-23)

که در آن فشار CO محلول در فاز مایع (اتمسفر)، qmax حداکثر نرخ مصرف ویژه (میلی مول گاز بر گرم سلول بر ساعت)، Kp ثابت مونود (اتمسفر) و KI ثابت بازدارندگی CO (اتمسفر) است.
تعیین پارامترهای کینتیکی در معادله (4-23) به سادگی انجام نمی شود چرا که اندازه گیری غلظت CO در فاز مایع آسان نیست. اولین مرحله برای یافتن فشار CO محلول، تعیین ضریب انتقال جرم (KLa)از طریق موازنه جرم روی نرخ انتقال CO به محیط مایع می باشد:
(4-24)

که در آن VL حجم محیط کشت (لیتر)، مول CO در فاز گاز (میلی مول)، t مدت زمان فرایند تخمیر (ساعت)،KLa ضریب انتقال جرم (بر ساعت)، H ثابت هنری (اتمسفر لیتر بر میلی مول)، و فشار CO در فاز گاز و فشار محلول در فاز مایع (اتمسفر) هستند. در شرایطی که واکنش با نرخ انتقال جرم کنترل می شود فشار CO در فاز مایع () صفر فرض می گردد و kLa از رابطه زیر حاصل می شود:
(4-25)

مقدار در مراحل اولیه فرایند تخمیر که نرخ انتقال جرم مکانیزم کنترل کننده واکنش نیست با استفاده از رابطه (4-24) محاسبه می شود. ضرایب انتقال جرم محاسبه شده و فشار CO محلول در فاز مایع در فشارهای مختلف بیوراکتور در جدول 4-8 ارائه شده اند. شکل 4-21 تغییرات فشار CO در فاز گاز و مایع را در طول فرایند تخمیر در فشار 0/1 اتمسفر نشان می دهد.
جدول ‏48: ضرایب انتقال جرم محاسبه شده در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته
ضریب انتقال جرم، KLa
(بر ساعت)
فشار محلول CO در محیط کشت، (اتمسفر)
فشار گاز کل در بیوراکتور ناپیوسته (اتمسفر)
97/4
36/0
2/1
06/6
45/0
5/1
01/7
54/0
8/1
60/7
60/0
0/2
29/5
66/0
2/2
58/3
75/0
5/2

شکل ‏421: تغییرات فشار CO در فاز گاز و مایع در طول فرایند تخمیر در فشار 0/1 اتمسفر بیوراکتور
:■ و □:

نرخ تمام شدن CO در فاز مایع در نتیجه مصرف میکروب از رابطه زیر حاصل می شود:
(4-26)

که در آن qCO نشان دهنده نرخ مصرف ویژه (میلی مول بر گرم سلول بر ساعت) و x دانسیته سلولی (گرم بر لیتر) است. با بازآرایی معادله (4-23) به (4-27)، پارامترهای کینتیکی با رگرسیون خطی و درجه دوم تعیین می گردند:
(4-27)

شکل 4-22 تعیین پارامترهای کینتیکی برای نرخ مصرف ویژه CO در فشارهای مختلف را نشان می دهد. همان طور که در این شکل مشاهده می شود، همه نقاط با یک منحنی درجه دوم با رگرسیون بالا (97/0=R2) تطابق داده شدند. رابطه نهایی که نرخ مصرف ویژه CO توسط باکتری لانگالی را توصیف می کند به صورت زیر است:
(4-28)

ماکزیمم نرخ مصرف ویژه CO 364/36=qmax میلی مول بر گرم سلول بر ساعت و ثابت مونود 021/0=Kp اتمسفر به دست آمد. ثابت بازدارندگی CO مقداری معادل 601/0=KI اتمسفر داشت که نشان می دهد CO محلول نقش مهمی در ایجاد بازدارندگی روی مصرف CO داشته است.

شکل ‏422: مدل خطی و درجه دوم اندرو برای مصرف CO توسط باکتری لانگالی در فشارهای مختلف
●: 2/0، ○: 5/0، ▼: 8/0، Δ: 0/1، :■ 2/1 و □: 5/1 اتمسفر
4-4-4 کینتیک مصرف سوبسترا
همان طور که اشاره شد، لانگالی یک باکتری استوژنیک با قابلیت تولید اتانول است و مسیر متابولیکی پیچیده ای دارد که هر دو فاز تولید الکل و اسید را شامل می شود. با وجود آنکه اتانول محصول مطلوب در فرایند تخمیر گاز سنتز است، اما اسید استیک به عنوان محصول عمده در این فرایند تولید می گردد چرا که تولید اتانول نیاز به انرژی (ATP) دارد. در بررسی کینتیک تولید اتانول و استات به عنوان محصولات فرایند تخمیر، از مدل گمپرتز اصلاح شده333 استفاده گردید که به صورت زیر تعریف می شود:
(4-29)

که در آن i نشان دهنده اتانول یا استات، Pi محصول تولید شده (میلی مول بر لیتر)، Pmax,i حداکثر میزان محصول تولید شده (میلی مول بر لیتر)، Rmax,i حداکثر نرخ تولید (میلی مول بر لیتر بر ساعت)، λi زمان تاخیر تا رسیدن به فاز نمایی تولید محصول (ساعت) و t مدت زمان فرایند تخمیر (ساعت) است.
منحنی تطابق داده شده با یافته های آزمایشگاهی مربوط به تولید اتانول و استات در شکلهای 4-23 الف و ب نشان داده شده است. تقریبا در همه فشارها، ضریب رگرسیون بالای 9/0 بود که مناسب بودن این مدل را برای توصیف تولید اتانول و استات توسط باکتری لانگالی در فرایند تخمیر ناپیوسته گاز سنتز نشان می دهد. پارامترهای کینتیکی حاصل شده از این مدل در فشارهای مختلف در جدول 4-9 ارائه شده است.

(الف)

(ب)
شکل ‏423: مدل گمپرتز اصلاح شده برای تولید الف) اتانول و ب) استات در فشارهای مختلف گاز سنتز توسط لانگالی
●: 2/0، ○: 5/0، ▼: 8/0، Δ: 0/1، :■ 2/1 و □: 5/1 اتمسفر
جدول ‏49: پارامترهای بیوکینتیکی محاسبه شده از مدل گمپرتز اصلاح شده برای تولید محصول
R2
λ
(ساعت)
Rmax
(میلی مول بر لیتر بر ساعت)
Pmax
(میلی مول)
فشار (اتمسفر)
محصول

9125/0
0333/6
0223/0
5742/1
2/0
اتانول
9193/0
3126/7
0394/0
2386/2
5/0

8989/0
1129/9
0808/0
1463/3
8/0

9624/0
7737/7
1722/0
7592/4
0/1

9073/0
6630/8
0672/0
5861/2
2/1

9153/0
7915/8
0464/0
9433/1
5/1

9509/0
1672/3
0542/0
0161/5
2/0
استات
9050/0
5373/2
0706/0
1703/5
5/0

9053/0
3957/2
0963/0
9560/6
8/0

9037/0
6254/4
0877/0
2264/8
0/1

9708/0
5416/2
0618/0
8639/5
2/1

8928/0
1636/2
0711/0
5812/5
5/1

4-5 آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور
4-5-1 تاثیر نرخ رقیق سازی
به منظور بررسی اثر نرخ رقیق سازی (نسبت شدت جریان مایع به حجم بیوراکتور) روی عملکرد سلولها، آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور به مدت 28 روز انجام شد. برای تعیین نرخ رقیق سازی بهینه، شدت جریان مایع از 75/0-3/0 میلی لیتر بر دقیقه (030/0-012/0 D=بر ساعت) تغییر داده شد در حالی که شدت جریان گاز و دور همزن به ترتیب در 0/8 میلی لیتر بر دقیقه و 500 دور در دقیقه (rpm) ثابت نگه داشته شدند. دمای بیوراکتور در 37 درجه سانتیگراد ثابت بود و pH اولیه روی 9/5 تنظیم شد. برای تعیین دانسیته سلولی، میزان مصرف سوبسترای گازی و تولید محصول در بیوراکتور، فاز گاز و مایع بیوراکتور در فاصله زمانی 12 ساعت مورد آنالیز قرار گرفتند.

4-5-1-1 دانسیته سلولی و pH محیط کشت
تغییرات دانسیته سلولی و pH در محیط کشت باکتری لانگالی در بیوراکتور در مدت 28 روز و در 5 ناحیه در شکل 4-24 ارائه شده است. در 4 روز اول آزمایش، بیوراکتور درحالت نیمه پیوسته که در آن فاز مایع ناپیوسته و فاز گاز به صورت پیوسته در جریان بود مورد بهره

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، مدل ترکیبی، دی اکسید کربن، رگرسیون Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره CO، لانگالی، بیوراکتور، H2