منابع پایان نامه ارشد درباره مواد معدنی، هزینه تمام شده، بازدارندگی

دانلود پایان نامه ارشد

حداکثر غلظت محصول در محیط کشت که موجب بازدارندگی محصول نمی شود [20]. مقدار بهینه این پارامترهای عملیاتی باید به درستی تعیین و به کار گرفته شود تا موجب بهبود رشد سلول و بازده محصول در فرایند تخمیر شود.

2-5-1 تاثیر ترکیب محیط کشت
باکتری به عنوان یک موجود زنده نیاز به منبع انرژی برای رشد و زنده ماندن دارد. همه باکتریها به عناصری مانند کربن، نیتروژن، سولفور و فسفر برای سنتز اجزای سلولی و محصول نیازمندند [21]. در فرایند تخمیر گاز سنتز، اجزای گاز سنتز به عنوان منبع کربن و انرژی توسط باکتری مصرف می گردند. علاوه بر اینها، سلولها به مواد معدنی و ویتامینهای متعددی نیاز دارند تا فعالیت متابولیکی خود را در حد بالایی حفظ کنند [14].
فرضیه ای وجود دارد که تولید حلال (الکل) به جای اسید توسط باکتریهای استوژنیک در شرایط عدم رشد بهبود می یابد که چنین شرایطی ممکن است با کمبود مواد مغذی (مثلا کمبود کربن، نیتروژن و فسفر در محیط کشت)، افزودن عوامل کاهنده127، تغییر محدوده pH، افزودن هیدروژن و تغییر اجزای محیط کشت ایجاد شود [14, 45, 93]. مطالعه مسیر متابولیکی استیل کوآنزیم A نشان داده است که تولید استات از نظر میزان ATP موازنه است، درحالیکه، تولید اتانول موجب افزایش مصرف ATP می گردد که موجب رشد سلول نخواهد شد. بنابراین، برای افزایش میزان اتانول تولیدی نسبت به استات، می بایست عواملی که موجب رشد سلول نمی شوند مورد توجه قرار گیرند. پس از آنکه رشد سلول در محیط کشت به میزان مطلوبی رسید باید شرایطی حاکم شود که سلولها را در حالت عدم رشد قرار دهد [45, 54, 93]. چنین شرایطی توسط فیلیپس و همکارانش128[41] برای بهینه سازی محیط کشت باکتری کلستریدیوم لانگالی به منظور افزایش تولید اتانول نسبت به استات مورد بررسی قرار گرفت. آنها غلظت ویتامین B را کاهش داده و عصاره مخمر129 را از محیط کشت حذف کردند. در نتیجه، رشد سلول به میزان کمی کاهش یافت، اما اتانول به عنوان محصول عمده در مقایسه با استات تولید گردید. حداکثر میزان اتانول تولید شده در بیوراکتور همزن دار و در حالت پیوسته 48 و 23 گرم در لیتر با و بدون بازیافت سلول بود. در حالت بازیافت سلول، آنها موفق شدند 21 مول اتانول به ازای هر مول استات تولید کنند. در آزمایشی دیگر، گدی و همکارانش130 [78] تاثیر غلظت عصاره مخمر در محیط کشت را روی توزیع محصول باکتری لانگالی در شرایط ناپیوسته مورد بررسی قرار دادند. در غلظتهای پائین عصاره مخمر (005/0، 01/0 و 05/0%) نسبت مولی اتانول به استات 11/0 بود، در حالیکه، این نسبت در غلظتهای بالاتر عصاره مخمر (1/0 و 2/0%) به 05/0 کاهش یافت. این نتایج بهبود تولید اتانول در شرایط عدم رشد را که با کاهش غلظت عصاره مخمر ایجاد شده بود تائید کرد. در آزمایشهای دیگری که توسط کلاسون و همکارانش131[45] انجام گرفت، اهمیت ترکیب محیط کشت در تخمیر ناپیوسته باکتری لانگالی مطالعه گردید. فرضیه ای وجود داشت که ناچار کردن باکتریها به رشد با یک نرخ کاهش یافته موجب اسپورزایی132 شده و تولید اتانول را بهبود می بخشد. در طول فرایند تخمیر، گاز سنتز به عنوان منبع کربن اولیه بود اما عصاره مخمر با سلوبیوز133، رامنوز134، گالاکتوز135 و نشاسته، هر کدام در آزمایشهای جداگانه، جایگزین گردید. استفاده از این مواد مغذی به جای عصاره مخمر موجب اسپورزایی گردیده و رشد سلول، تولید اتانول و نسبت محصولات را افزایش داد. بیشترین غلظت سلولی 170 میلی گرم در لیتر، اتانول 56/0 میلی مول و نسبت اتانول به استات 45/0 با سلوبیوز حاصل گردید.
کمبود مواد مغذی در محیط کشت می تواند محدودیتهایی را در متابولیزم سلولی مانند نگهداری سلول، تولید آنزیمهای درون سلولی و تشکیل کوفاکتورها ایجاد کند. چنین شرایطی موجب به وجود آمدن حالت عدم رشد یا سلولهای در حال استراحت136 می شود که مسیر متابولیکی باکتریها را از فاز تولید اسید به فاز تولید الکل جابجا می کند. با این حال، چنانچه قابلیت حیات سلولها در محیط کشت کم باشد و سطح فعالیت متابولیکی سلولها بسیار پائین باشد، ممکن است سلولها نتوانند آنزیمهای درست و کوفاکتورهایی مانند استالدئید دی هیدروژناز، استات کیناز و NADH را تولید کنند یا حاملهای الکترون را برای جذب سوبسترای کربنی یا ترکیبات واسطه متابولیکی مصرف کنند [93]. در تحقیقی برای ایجاد شرایط عدم رشد به منظور افزایش تولید اتانول، کاتر و همکارانش137 [93]، تاثیر کمبود نیتروژن در محیط کشت را روی توانایی تولید اتانول و استات باکتریهای کلستریدیوم اتواتانوژنوم و لانگالی مورد بررسی قرار دادند. کلرید آمونیوم، پپتون پروتئوز138، عصاره مخمر و عصاره گوشت گاو139 به عنوان منابع نیتروژن در محیط کشت مورد استفاده قرار گرفتند. آنها در آزمایشات خود هیچ تولید اتانولی (و یا مقدار بسیار اندکی) را در سلولهای لانگالی که در حالت عدم رشد بودند مشاهده نکردند. این مساله احتمالا به دلیل عملکرد ضعیف متابولیکی سلولها بوده است که نمی توانستند سوبسترا را مصرف کنند، همانگونه که تغییرات کمی در میزان مصرف سوبسترا مشاهده گردید. در مقابل، توانایی تولید اتانول در محیط کشت باکتری اتواتانوژنوم افزایش یافت که نشان می داد این باکتری نسبت به کمبود نیتروژن بسیار حساس بود. مانس و ویور140 [94]، سنتز پلی-3-هیدروکسی آلکانوات141 (PHA) را از سوبسترای گازی (CO و H2) در محیط کشت نامتوازن گونه ای از باکتری رودوباکتر142 مطالعه کردند. پلیمر PHA یک ترموپلاستیک با وزن مولکولی بالاست که به عنوان جزئی از توده سلولی شکل می گیرد و می توانند با استفاده از حلال استخراج گردد. آنها مشاهده کردند که در محیط کشت نامتوازن که در آن رشد سلولها با کمبود نیتروژن، نمکهای اصلی (MgSO4، CaCl2 و FeSO4) و ویتامینهای ضروری محدود شده بود، تا حدود 28% از وزن سلولی مربوط به گرانولهای PHA بود. با توجه به این نکته که بازده تولید PHA به نوع و میزان اسیدهای آلی موجود در محیط کشت بستگی داشت، با افزودن استات به محیط کشت، میزان PHA در وزن خشک سلول به 79% افزایش یافت.
از آنجا که هزینه تمام شده محیط کشت یکی از شروط مهم برای تولید سوختهای بیولوژیکی در مقیاس صنعتی است، تلاشهایی در جهت کاهش این هزینه انجام شده است. کاندیانا و همکارانش143 [83] از عصاره پنبه دانه144، بدون افزودن هیچ ترکیب دیگری، به عنوان محیط کشت گونه ای از باکتری کلستریدیوم (P11)145 برای تولید اتانول استفاده کردند. آنها اظهار داشتند که عصاره پنبه دانه حاوی برخی ترکیبات معدنی و ویتامینها بود که بسیار به محیط کشت استاندارد این باکتری شباهت داشت و همچنین محتوی هیجده اسید آمینه بود. در محیط کشت ناپیوسته که حاوی 5/0 گرم در لیتر عصاره پنبه دانه بود، پس از 15 روز، 66/2 گرم در لیتر اتانول تولید گردید، در حالیکه، غلظت استات در محیط بسیار کم بود. آنها پیشنهاد کردند که جایگزینی اجزای محیط کشت استاندارد این باکتری از جمله نمکهای معدنی و ویتامینها با عصاره پنبه دانه می تواند هزینه فرایند را تا میزان زیادی کاهش دهد.

2-5-2 تاثیر منبع آلی
منوکسید کربن به عنوان یکی از اجزای اصلی گاز سنتز یا هر گاز دودکش دیگری علاوه بر سمیت بالایش یک ماده اولیه تجدیدپذیر مناسب برای فرایندهای تخمیر میکروبی است. منوکسید کربن می تواند توسط باکتریهای مختلفی از جمله کربوکسیدوترفهای هوازی146، استوژنهای بی هوازی، فتوتروفها، باکتریهای کاهنده سولفور و متانوژنها متابولیز شود [95]. هرچند، فرایند تخمیر بی هوازی CO ارجحیت دارد چرا که از الکترونهای موجود برای تولید ترکیبات بیوشیمیائی کاهش یافته به جای از بین رفتن برای تولید اکسیژن استفاده می گردد [81]. میکروارگانیزمهای بی هوازی که می توانند به صورت کمولیتوتروف روی سوبستراهایی مانند CO و H2/CO2، که از اجزای اصلی گاز سنتزند، رشد کنند و یا به صورت کموارگانوتروف با منابع کربنی نظیر فروکتوز، استات، مالات147، گلوتامات148، فرمارات149، سوکسینات150 و پیروات رشد کنند، گزینه های مناسبی برای این منظور هستند. آنها سوبستراهایی نظیر CO و CO2 را در طی فرایند تخمیر مصرف می کنند تا انرژی لازم برای رشد و نگهداری باکتری را فراهم کرده و همچنین محصولات جانبی ای همانند اسیدهای آلی و الکلها و هیدروژن را متابولیز می کنند [82].
کاتر و همکارانش151 [79] رشد باکتری لانگالی را روی گاز سنتز (50% N2، 20% CO، 20% CO2 و 10% H2) با فروکتوز مقایسه کردند. رشد باکتری روی کربن قندی منجر به تولید محیط کشتی غلیظ ( 1 گرم بر لیتر) در مقایسه با گاز سنتز (562/0 گرم بر لیتر) گردید. همچنین غلظت اتانول تولید شده با فروکتوز (13 میلی مول در لیتر) بسیار بالاتر از گاز سنتز (8/3 میلی مول در لیتر) بود. این تفاوت در عملکرد سلولها احتمالا به دلیل محدودیتهای نفوذ درسطح مشترک گاز-مایع و/یا راندمان جذب و مکانیزم انتقال سوبسترای گازی بوده است. آنها همچنین در فرایند تخمیر گاز سنتز مشاهده کردند که تلقیح کردن محیط کشت با سلولهایی که با فروکتوز رشد داده شده موجب دانسیته سلولی بالاتر (850/0 گرم بر لیتر) در مقایسه با سلولهایی شدند که با گاز سنتز رشد داده شدند (562/0 گرم بر لیتر). از این نتایج چنین استدلال گردید که این تفاوت در عملکرد محیط کشت احتمالا به دلیل حضور مقادیر بیشتری از کوفاکتورهای درون سلولی، آنزیمها و انرژی در سلولهایی بود که با سوبسترای قندی رشد داده شده بودند. در آزمایشهای دیگری [96]، آنها تاثیر عادت دادن سلول (مایه تلقیح) به منابع کربنی متفاوت (فروکتوز، فروکتوز-گاز سنتز و گاز سنتز) را روی رشد سلول و تولید محصول درفرایند تخمیر گاز سنتز بررسی کردند. بیشترین میزان رشد سلول و تولید اتانول از سلولهایی به دست آمد که از قبل به فروکتوز عادت داده شده بودند. تولید اتانول توسط این سلولها تقریبا 5/2 و 5/1 برابر سلولهایی بود که به گاز سنتز و فروکتوز-گاز سنتز عادت کرده بودند. عادت دادن سلولها به مصرف فروکتوز احتمالا سطح بالاتری از معادلهای انرژی (ATP/GTP) و توان کاهشی (NADH/NADPH) را برای مصرف گاز سنتز به عنوان منبع کربنی برای سلولها فراهم می کرد. گدی و همکارانش152 [30] باکتری باسیلوس سیمیتی153 را که قادر به مصرف سریع CO و تولید هیدروژن بود جداسازی کردند. گونه بی هوازی ERIH2 در کاتالیز کردن واکنش جابجائی آب-گاز بیولوژیکی بسیار فعال بود و نرخ مصرف CO بالایی، تقریبا 20 برابر باکتری روبروم در محیط کشت ناپیوسته، بدون نیاز به نور از خود نشان داد. اما، سلولها نرخ رشد ضعیفی داشتند. بنابراین، از برخی مکملهای رشد در محیط کشت باکتری استفاده گردید تا موجب تحریک رشد سلول شوند. محیط کشت حاوی ویتامینها، نمکها، مواد معدنی، تریپتیکیس154، عصاره مخمر و گلوکز به عنوان منبع کربنی ارزان بود. نتایج این تحقیق نشان داد که در طول 8 ساعت اول انکوباسیون، غلظت سلول به صورت قابل توجهی افزایش یافت، اما رشد سلول عمدتا بر روی تریپتیکیس و عصاره مخمر بود و مصرف گلوکز در این زمان کم بود. بعد از این 8 ساعت، گلوکز با نرخ بالاتری مصرف گردید. بنابراین، این طور استنباط شد که عبور گلوکز از غشاء سلولی مرحله محدود کننده رشد بوده است. از آنجا که باکتری ERIH2، CO را به عنوان منبع کربن برای رشد مصرف نمی کرد، غلظت مناسبی از گلوکز مورد نیاز بود تا دانسیته سلولی بالایی را به وجود آورد. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از یک محیط کشت غنی حاوی 25 گرم در لیتر گلوکز، 5 گرم در لیتر تریپتیکیس و 20 گرم در لیتر عصاره مخمر منجر به غلظت بالای سلولی (5 گرم در لیتر) گردید. در بررسی دیگری که توسط نجف پور و همکارانش [61] انجام شد، تاثیر منابع قندی متفاوت روی رشد سلول و بازده تولید هیدروژن در واکنش جابجائی آب-گاز بیولوژیکی توسط باکتری روبروم مطالعه گردید. باکتری روبروم روی سه کربوهیدرات گلوکز، فروکتوز و ساکاروز و سه اسید آلی فرمات، استات و مالات رشد داده شد. فاز گاز حاوی 55% CO، 20% H2، 10% CO2 و 15% Ar بود. بالاترین بازده تولید بیومس (47/0 گرم سلول

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره مقیاس تجاری، بازدارندگی، اکسیداسیون Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، اکسیداسیون، فیزیولوژی