منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی

دانلود پایان نامه ارشد

د به صورت زیر است:
(4-30)

برای گازهایی مانند CO که حلالیت بسیار کمی در فاز مایع دارند ثابت هنری عدد بزرگی است و بنابراین بیشترین مقاومت در برابر انتقال جرم در فاز مایع است و بنابراین می توان KLa را تقریبا برابر با kCO,liq دانست.
برای تعیین ضریب انتقال جرم CO در فرایند تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور از موازنه جرم CO در بیوراکتور CSTR (همان گونه که در بخش 3-9-2-2 توضیح داده شد) استفاده گردید و در نهایت رابطه زیر برای تعیین ضریب انتقال جرم به کار گرفته شد:
(4-31)

که در آن XCO میزان تبدیل CO در بیوراکتور، KLaضریب انتقال جرم حجمی (بر ساعت)، T دمای بیوراکتور (کلوین)، H ثابت هنری (اتمسفر لیتر بر میلی مول)، vg شدت جریان گاز (لیتر بر ساعت)، Vl حجم مایع در بیوراکتور (لیتر) و R ثابت جهانی گاز (اتمسفر لیتر بر میلی مول بر کلوین) است.
شکل 4-31 استفاده از رابطه (4-31) برای محاسبه ضریب انتقال جرم CO در دورهای مختلف همزن در بیوراکتور را نشان می دهد. ضرایب انتقال جرم با فرض اینکه فرایند با نرخ انتقال جرم کنترل می شود و میزان CO محلول در فاز مایع بسیار کمتر از CO موجود در فاز گاز است () محاسبه گردید. مقادیر محاسبه شده KLa برای CO در محدوده 52/39-30/17 (بر ساعت) برای دورهای همزن 500-200 (rpm) بودند. با استفاده از ضریب انتقال جرم محاسبه شده، فشار CO محلول با فرض اینکه فرایند تحت کنترل کینتیکی باشد از رابطه (4-32) محاسبه شد:
(4-32)

با داشتن ضریب انتقال جرم و فشار CO محلول نرخ انتقال جرم (rCO) از رابطه زیر به دست آمد:
(4-33)

تمام روابط موجود را می توان عینا برای محاسبه ضریب انتقال جرم H2 به کار برد. شکل 4-32 استفاده از رابطه (4-31) را برای محاسبه ضرایب انتقال جرم H2 در دورهای مختلف همزن بیوراکتور نشان می دهد. با داشتن ثوابت هنری برای CO و H2 در دمای 37 درجه سانتیگراد (226/1HCO= و 482/1HH2= اتمسفر لیتر بر میلی مول [128]) مقادیر KLa محاسبه شده و به همراه فشار CO و H2 محلول و نرخ واکنش در جدول 4-11 ارائه شده اند.

شکل ‏431: ضرایب انتقال جرم در بیوراکتور در شرایط پایدار برای CO
Δ: 200، ◊: 300، □: 400 و ○: 500 دور در دقیقه

شکل ‏432: ضرایب انتقال جرم در بیوراکتور در شرایط پایدار برای H2
Δ: 200، ◊: 300، □: 400 و ○: 500 دور در دقیقه
جدول ‏411: ضرایب انتقال جرم H2 و CO محاسبه شده و نرخ واکنش در دورهای مختلف همزن بیوراکتور
rpm
vg

rH2
rCO
200
4
057/0
101/0
699/43
304/17
206/4
452/3

8
085/0
128/0

724/3
968/2

10
093/0
147/0

582/3
637/2

12
098/0
148/0

504/3
623/2
300
4
041/0
089/0
479/60
671/20
607/15
360/4

8
070/0
116/0

931/13
812/3

10
075/0
127/0

608/13
571/3

12
084/0
144/0

063/13
201/3
400
4
028/0
070/0
649/85
452/27
257/23
315/6

8
057/0
097/0

767/20
546/5

10
066/0
112/0

042/20
162/5

12
081/0
134/0

756/18
568/4
500
4
024/0
051/0
615/105
524/39
153/29
844/9

8
045/0
077/0

887/26
810/8

10
058/0
094/0

506/25
135/8

12
063/0
110/0

029/25
498/7

rpm (دور بردقیقه): دور همزن بیوراکتور، vg (میلی لیتر در دقیقه): شدت جریان گاز، و (اتمسفر): فشار H2 و CO محلول در مایع، و (بر ساعت): ضریب انتقال جرم H2 و CO، rH2 و rCO (میلی مول بر لیتر بر ساعت): نرخ انتقال جرم H2 و CO به محیط کشت

از مرتبط کردن ضرایب انتقال جرم تجربی که از رابطه (4-31) حاصل گردید با توان به ازای واحد حجم مایع (Pg/V) و سرعت ظاهری گاز (Us) ثوابت تجربی در معادله (4-29) تعیین گردیدند. روش محاسبه ضرایب در پیوست ارائه شده است. با توجه به ضرایب به دست آمده می توان رابطه زیر را با خطای 10% برای تعیین ضریب انتقال جرم CO در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط باکتری لانگالی ارائه نمود:
(4-34)

4-5-2-4 بازده محصول
برای محاسبه بازده کلی محصول از سوبسترای گازی از معادله (4-13) استفاده شد. این رابطه استوکیومتری برای تعیین بازده اتانول و استات در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز به درون بیوراکتور مورد بررسی قرار گرفت و نتایج حاصله در شکلهای 4-33 الف-د ارائه شدند. شیب خطوط حاصله معرف بازده تولید محصول در حالتهای مختلف است. بیشترین بازده تولید محصول از سوبسترای گازی (811/0) در شدت جریان گاز 12 میلی لیتر بر دقیقه حاصل گردید که نسبتا به بازده تئوری یک نزدیک است. بخشی از این اختلاف می تواند به مصرف سوبسترا برای تولید سلول و انرژی )َATP) مربوط باشد.

(الف)
(ب)

(ج)
(د)
شکل ‏433: رابطه استوکیومتری (4-13) برای تعیین بازده اتانول و استات تولید شده از H2 و CO در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط لانگالی برای شدت جریانهای گاز (الف) 4، (ب) 8، (ج)10 و (د) 12 میلی لیتر در دقیقه

نتایج تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط باکتری لانگالی در حالتهای مختلف در جدول 4-12 ارائه شده است. بیشترین نرخ مصرف سوبسترا 177/97 و 816/32 میلی مول بر گرم بر ساعت برای H2 و CO بود که در شدت جریان گاز 4 میلی لیتر بر دقیقه (25/6 RT=ساعت) و دور همزن 500 (rpm) حاصل گردید. بالاترین نرخ تولید محصول 0048/0 مول بر گرم بر لیتر، بیشترین بازده تولید محصول از سوبسترا 178/0 مول بر مول و بهترین نسبت تولید اتانول به استات 73/0 مول بر مول بود که در شدت جریان گاز 12 میلی لیتر بر دقیقه (08/2 RT=ساعت) و دور همزن 500 (rpm) به دست آمد.

جدول ‏412: پارامترهای مربوط به بازده در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط باکتری لانگالی در شدت جریانهای گاز مختلف و دور همزن متفاوت
EtOH/Ac
YP/S
SPR
SUR, CO
SUR, H2
rpm
RT
νg
20/0
173/0
0015/0
126/13
993/15
200
25/6
157/0
24/0
168/0
0017/0
149/16
803/57
300
25/6
157/0
27/0
170/0
0018/0
775/21
196/80
400
25/6
157/0
3/0
175/0
0020/0
816/32
177/97
500
25/6
157/0
37/0
153/0
0025/0
994/10
792/13
200
57/3
314/0
42/0
159/0
0028/0
705/12
438/46
300
57/3
314/0
50/0
160/0
0030/0
893/17
986/66
400
57/3
314/0
53/0
158/0
0033/0
463/25
708/77
500
57/3
314/0
40/0
155/0
0030/0
791/8
459/10
200
50/2
393/0
39/0
152/0
0032/0
161/11
524/42
300
50/2
393/0
41/0
156/0
0035/0
318/15
471/59
400
50/2
393/0
49/0
155/0
0037/0
244/23
874/72
500
50/2
393/0
55/0
162/0
0035/0
829/7
459/10
200
08/2
472/0
57/0
166/0
0039/0
202/9
322/37
300
08/2
472/0
62/0
176/0
0043/0
690/12
100/52
400
08/2
472/0
73/0
178/0
0048/0
266/20
648/67
500
08/2
472/0

νg (میلی مول بر دقیقه): شدت جریان مولی گاز، RT (ساعت): زمان ماند گاز، rpm (دور دقیقه): دور همزن، SUR, H2 SUR,CO (میلی مول بر گرم بر ساعت): نرخ مصرف ویژه H2 و CO، SPR (مول بر گرم بر ساعت): نرخ تولید ویژه، YP/S (مول بر مول): بازده تولید محصول از سوبسترای گازی، EtOH/Ac (مول به مول): تولید اتانول به استات

5 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1 نتیجه گیری از آزمایشها
آزمایشهای تخمیر گاز سنتز با باکتری لانگالی و تولید اتانول و استات به عنوان محصولات متابولیکی این فرایند در دو بخش ناپیوسته و پیوسته همراه با بررسی پارامترهای عملیاتی و کینتیک واکنش انجام گرفت که نتایج حاصله به اختصار در ادامه ارائه می گردند:
بررسی تاثیر سوبستراهای آلی مختلف (فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات) روی عملکرد سلولها در فرایند کشت ناپیوسته باکتری لانگالی نشان داد که فروکتوز بیشترین دانسیته سلولی (1/1 گرم بر لیتر) را ایجاد کرد و تولید اتانول (1/27 میلی مول در لیتر) در مقایسه با استات (3/26 میلی مول در لیتر) در حضور این سوبسترای آلی بهبود یافت. رشد سلولها با گلوکز نیز قابل توجه بود (9/0گرم بر لیتر) اما حضور این سوبسترا موجب شیفت مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز استوژنیک گردید و استات (8/44 میلی مول در لیتر) به عنوان محصول غالب در محیط کشت در مقایسه با اتانول (5/5 میلی مول در لیتر) تولید شد. باکتری لانگالی قادر بود که هم اتانول را به عنوان سوبسترا برای رشد سلولی (22/0 گرم برلیتر) و تولید انرژی مصرف کند و هم آن را به عنوان محصول متابولیکی فرایند تولید کند (25 میلی مول در لیتر) که احتمالا این دو فرایند از مسیرهای متابولیکی متفاوتی پیش می رفتند. حضور استات به عنوان سوبسترا در محیط کشت، برخلاف آنچه در متون گزارش شده بود، موجب رشد سلولها گردید (25/0 گرم بر لیتر) و مسیر متابولیکی باکتری را به سمت فاز تولید حلال شیفت داد اما تولید اتانول در محیط (5/3 میلی مول در لیتر) قابل توجه نبود. برای افزایش تولید اتانول نسبت به استات در محیط کشت لانگالی، از غلظتهای مختلفی از فروکتوز (11-1 گرم بر لیتر) به عنوان سوبسترای بهتر استفاده گردید. در شرایط کمبود سوبسترا در محیط کشت (3-1 گرم برلیتر) و یا در غلظتهای بالای آن (11-9 گرم برلیتر)، رشد سلولی پس از رسیدن به یک مقدار ماکزیمم کاهش یافت و مسیر متابولیکی باکتری نتوانست پس از تولید اسید به سمت فاز تولید الکل شیفت کند. غلظت 5 گرم در لیتر فروکتوز غلظت بهینه ای بود که در آن نسبت مولی یک به یک برای تولید اتانول نسبت به استات حاصل گردید.
مطالعه تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH روی عملکرد سلولهای لانگالی با استفاده از محلولهای کاهنده مختلف (سدیم سولفید (67/1-0/0 میلی مول در لیتر) و/ یا سیستئین اسیدی (07/5-54/2 میلی مول در لیتر) و pH های اولیه متفاوت در محیط کشت (9/5 یا 8/6) انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان دهنده تاثیر مثبت Na2S در شیفت مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز تولید الکل در 8/6pH= بود. اما این عامل کاهنده برای افزایش تولید اتانول در pH اولیه 9/5 موثر نبود. در مقابل، افزودن 07/5 میلی مول در لیتر سیستئین اسیدی به محیط کشت در pH اولیه 9/5 موجب افزایش نسبت مولی اتانول به استات به 65/0 گردید. در این شرایط تولید اتانول و نسبت تولید اتانول به استات به ترتیب 48 و 24% نسبت به محیط کشت استانداری که بر اساس دستورالعمل ATCC تهیه شده بود (سیستئین اسیدی (53/2 میلی مول در لیتر) و سدیم سولفید (67/1 میلی مول در لیتر) در pH اولیه 9/5) بهبود یافت.
برای تعیین پارامترهای کینتیکی مربوط به نرخ ذاتی واکنش، مصرف سوبسترا و تولید محصول فرایند تخمیر ناپیوسته گاز سنتز در چند بیوراکتور با فشارهای مختلف گاز سنتز انجام شد. برای توصیف کینتیک نرخ رشد سلول روی سوبسترای گازی یک مدل کینتیکی دوتایی که ترکیبی از مدل لانگ (برای CO) و مونود (برای H2) بود بسط داده شد. بر اساس مدل به دست آمده، حداکثر نرخ رشد ویژه 195/0µmax= (بر ساعت) و ثوابت مونود برای CO (855/0 (Ks,CO=و H2 (412/0Ks,H2=) حاصل گردیدند. این مدل همچنین می توانست اثرات بازدارندگی CO را روی رشد سلولها پیش بینی کند که بر اساس آن هنگامی که فشار CO در فاز مایع بیش از 473/0 اتمسفر باشد، هیچ رشدی در محیط کشت مشاهده نخواهد شد. مدلهای ولترا، اندرو و گمپرتز اصلاح شده به ترتیب برای توصیف رشد سلول، مصرف سوبسترا و تولید محصول استفاده شدند. با استفاده از این مدلها، نرخ مصرف ویژه CO (364/34 qmax=میلی مول بر گرم بر ساعت)، ثابت بازدارندگی CO (601/0 KI =اتمسفر) و حداکثر نرخ تولید اتانول (172/0 Rmax=میلی مول بر لیتر بر ساعت در 598/0PCO= اتمسفر) و استات (096/0 Rmax= میلی مول بر لیتر بر ساعت در 539/0 PCO= اتمسفر) تعیین شدند.
فرایند پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور و با تغییر پارامترهای عملیاتی همچون نرخ رقیق سازی، شدت جریان گاز سنتز به درون بیوراکتور و دور

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره CO، لانگالی، بیوراکتور، H2 Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره of، and، بیوراکتور، Energy