منابع پایان نامه ارشد درباره CO، لانگالی، بیوراکتور، H2

دانلود پایان نامه ارشد

برداری قرار گرفت (ناحیه I). در طول این مدت دانسیته سلولی به سرعت تا 630/0 گرم بر لیتر افزایش یافت که با کاهش pH محیط کشت همراه بود. در انتهای ناحیه I، تغییرات دانسیته سلولی روند نزولی پیدا کرد که احتمالا به کمبود مواد مغذی در محیط کشت ناپیوسته مربوط می شد. در این لحظه، جریان پیوسته محیط کشت به درون بیوراکتور با شدت جریان 3/0 میلی لیتر در دقیقه (012/0D= بر ساعت) آغاز گردید (ناحیه II). در این ناحیه غلظت سلولی در حدود 3/0 گرم بر لیتر پایدار شد و pH محیط کشت تا 27/4 کاهش یافت. همان طور که قبلا اشاره شد، pH محیط کشت یکی از پارامترهای مهمی است که می تواند روی رشد سلولها نقش اساسی داشته باشد؛ هرگونه تغییر ناگهانی در آن می تواند موجب خرابی و حتی مرگ سلولها شده و در نهایت منجر به از دست رفتن فعالیت بیولوژیکی سلولها گردد. در چنین شرایطی که سطح فعالیت متابولیکی سلولها کاهش یافته و سلولهای زنده و فعال کافی در محیط کشت حضور ندارند، سلولها احتمالا نخواهند توانست آنزیمهای و کوفاکتورهای لازم را برای مصرف سوبسترای کربنی بسازند. برای جلوگیری از بروز چنین ناتوانی هایی در محیط کشت و غیرفعال شدن سلولها در اثر کاهش بیش از اندازه pH، در ابتدای هر ناحیه و همزمان با تغییر نرخ رقیق سازی، pH محیط کشت روی0/5 تنظیم شد. لازم به ذکر است که 7-5pH= محدوده رشد باکتری لانگالی است. در صورتی که pH محیط کشت افزایش داده نمی شد، دانسیته سلولی کاهش می یافت. با افزایش شدت جریان مایع از 3/0 به 45/0 میلی لیتر در دقیقه، دانسیته سلولی تا 350/0 گرم بر لیتر افزایش پیدا کرد (ناحیه III). افزایش نرخ رقیق سازی به بیشتر از این میزان موجب کاهش غلظت سلولی گردید (نواحی IV وV). در بیشترین شدت جریان مایع (75/0 میلی لیتر در دقیقه) به کار گرفته شده (ناحیه V)، دانسیته سلولی به میزان قابل توجهی کاهش یافت (174/0 گرم بر لیتر) که این مساله احتمالا به پدیده نامطلوب شستشوی سلولی334 در این نرخ رقیق سازی بالا مربوط می شد. بنابراین بیوراکتور در نرخهای رقیق سازی بالاتر از 030/0 بر ساعت قابل بهره برداری نبود چرا که دانسیته سلولی به شدت کاهش می یافت. شدت جریان مایع 45/0 میلی لیتر در دقیقه (018/0 D=بر ساعت) به عنوان شدت جریان بهینه برای انجام آزمایشهای بعدی مورد استفاده قرار گرفت.

شکل ‏424: رشد سلولی و تغییرات pH در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف با شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm)
ناحیه I: فاز نیمه پیوسته، ناحیه II: 012/0D=، ناحیه III: 018/0D=، ناحیه IV: 024/0D= و ناحیه V: 030/0D= بر ساعت

4-5-1-2 مصرف سوبسترای گازی
نمودار مصرف H2 و CO در فرایند پیوسته تخمیر گاز سنتز توسط لانگالی در نرخهای رقیق سازی مختلف در شکل 4-25 نشان داده شده است. همان طور که در شکل دیده می شود، مصرف H2 توسط باکتری در تمام حالتها بیشتر از CO بود و مصرف هر دو سوبسترا روند تقریبا یکسانی داشت. با افزایش شدت جریان مایع به 45/0 میلی لیتر در دقیقه و ازدیاد دانسیته سلولی، مصرف هر دو سوبسترا بهبود یافت و بازده تبدیل 85 و 80% به ترتیب برای H2 و CO حاصل گردید. با افزایش شدت جریان مایع به بیش از 45/0 میلی لیتر در دقیقه و کاهش دانسیته سلولی در محیط کشت مصرف سوبسترای گازی کاهش یافت. در ناحیه V با کاهش غلظت سلولی به پائین تر از 2/0 گرم بر لیتر میزان تبدیل H2 و CO به ترتیب تا 70 و 50% کاهش پیدا کرد.

شکل ‏425: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm)
ناحیه I: فاز نیمه پیوسته، ناحیه II: 012/0D=، ناحیه III: 018/0D=، ناحیه IV: 024/0D= و ناحیه V: 030/0D= بر ساعت
4-5-1-3 تولید محصول
تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته باکتری لانگالی در شدت جریانهای مختلف مایع در شکل 4-26 نشان داده شده است. همان طور که اشاره شد، در 4 روز اول آزمایش بیوراکتور به صورت ناپیوسته با جریان مداوم گاز سنتز مورد بهره برداری قرار گرفت تا دانسیته سلولی در محیط کشت افزایش یابد. در طول این مدت استات (33/18 میلی مول در لیتر) محصول غالب فرایند تخمیر بود و در انتهای این فاز (ناحیه I) مقداری اتانول (33/4 میلی مول در لیتر) نیز در محیط کشت تولید گردید. این عدم تمایل سلولها برای تولید اتانول احتمالا به pH نامناسب محیط کشت برای تولید اتانول مربوط می شد؛ همان طور که قبلا اشاره شد بر اساس متون موجود 5/4-4pH= برای تولید اتانول مطلوب است. با شروع جریان پیوسته مواد مغذی به درون بیوراکتور تولید اتانول در محیط افزایش یافت. در ناحیه II که نرخ رقیق سازی 012/0 (بر ساعت) بود تقریبا 13 میلی مول در لیتر اتانول و 30 میلی مول در لیتر استات تولید شد که منجر به نسبت مولی 43/0 گردید. با افزایش نرخ رقیق سازی به 018/0 (بر ساعت) در ناحیه III، نسبت تولید اتانول به استات تا 53/0 افزایش یافت. در ناحیه IV غلظت استات در جریان خروجی به میزان کمی تحت تاثیر نرخ رقیق سازی قرار گرفت اما میزان اتانول تولیدی کاهش یافت و نسبت مولی اتانول به استات تا 40/0 تنزل یافت. هنگامی که نرخ رقیق سازی به 030/0 (بر ساعت) در ناحیه V افزایش داده شد، میزان تولید اتانول به مقدار قابل توجهی کاهش یافت و نسبت مولی اتانول به استات به 15/0 رسید.

شکل ‏426: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm)
ناحیه I: فاز نیمه پیوسته، ناحیه II: 012/0D=، ناحیه III: 018/0D=، ناحیه IV: 024/0D= و ناحیه V: 030/0D= بر ساعت

4-5-2 تاثیر شدت جریان گاز و دور همزن
به منظور مطالعه تاثیر شدت جریان گاز (زمان ماند گاز) و دور همزن روی عملکرد محیط کشت در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز، آزمایشهای پیوسته به مدت 48 روز در بیوراکتور انجام شد. در این آزمایشها، شدت جریان گاز از 12-4 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن از 500-200 دور در دقیقه (rpm) تغییر داده شد در حالی که شدت جریان مایع در 45/0 میلی لیتر در دقیقه ثابت نگه داشته شد. دمای بیوراکتور در 37 درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته شد و pH اولیه محیط کشت روی 9/5 تنظیم گردید. به طور کلی، pH محیط کشت روی مقدار خاصی کنترل نشد اما چنانچه افت pH در محیط بیوراکتور شدید بود pH تا مقدار 0/5 افزایش داده می شد تا مانع از کاهش بیش از حد دانسیته سلولی شود.

4-5-2-1 مصرف سوبسترای گازی
مصرف H2 و CO توسط لانگالی در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن در شکل 4-27 نشان داده شده است. همان طور که در شکل دیده می شود، افزایش دور همزن تاثیر مستقیم و افزایش شدت جریان گاز اثر معکوس روی میزان تبدیل سوبستراهای گازی داشت. با افزایش شدت جریان گاز از 4 به 12 میلی لیتر در دقیقه دانسیته سلولی کمی افزایش یافت اما با کاهش زمان ماند گاز در بیوراکتور (نسبت حجم محیط کشت به شدت جریان گاز سنتز) از 25/6 به 08/2 ساعت میزان تبدیل گاز به شکل تقریبا خطی کاهش پیدا کرد (شکل 4-27). به طور کلی، با توجه به اختلاط بسیار خوب در راکتورهای CSTR تنها زمانی می توان به میزان تبدیل کامل دست یافت که شدت جریان گاز بسیار کم باشد. استفاده از شدت جریانهای بالا منجر به میزان تبدیل پائین گاز می گردد مگر اینکه از جریان گاز بازگشتی استفاده شود.
با افزایش دور همزن در شدت جریان گاز ثابت میزان تبدیل سوبسترای گازی بهبود یافت (شکل 4-29). در تمامی شدت جریانهای گاز به کار گرفته شده بیشترین بازده تبدیل در دور همزن 500 (rpm) حاصل گردید. استفاده از دورهای بالای همزن موجب ریز شدن حبابهای گاز شده و انتقال جرم گازهای کم محلول همانند CO و H2 را در محیط کشت بهبود می دهد. بیشترین میزان تبدیل H2 و CO که به ترتیب 14/92 و 90/83% بود در شدت جریان گاز 4 میلی لیتر بر دقیقه و دور همزن 500 (rpm) حاصل گردید.

شکل ‏427: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی 018/0 بر ساعت
ناحیه I: 8g=ν، ناحیه II: 4g=ν ، ناحیه III: 12g=ν و ناحیه IV: 10g=ν میلی لیتر بر دقیقه

شکل ‏428: تاثیر شدت جریان گاز روی میزان تبدیل CO در دورهای مختلف همزن

شکل ‏429: تاثیر دور همزن روی میزان تبدیل CO در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز

4-5-2-2 تولید محصول
شکل 4-30 تولید اتانول و استات را در محیط کشت پیوسته لانگالی در مدت 48 روز نشان می دهد. افزایش شدت جریان گاز و دور همزن هر دو تاثیر مستقیم روی افزایش میزان اتانول تولیدی داشتند. با افزایش شدت جریان گاز در دور همزن ثابت، نسبت اتانول تولید شده از حدود 6 (4g=ν میلی لیتر بر دقیقه) به30 میلی مول در لیتر (12g=ν میلی لیتر بر دقیقه) بهبود یافت. بیشترین نسبت مولی اتانول به استات (73/0) در شدت جریان گاز 12 میلی لیتر بر دقیقه و دور همزن 500 (rpm) حاصل گردید. در این شرایط تولید اتانول و استات در محیط کشت به ترتیب 30 و 41 میلی مول در لیتر بود.

شکل ‏430: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی 018/0 بر ساعت
ناحیه I: 8g=ν، ناحیه II: 4g=ν ، ناحیه III: 12g=ν و ناحیه IV: 10g=ν میلی لیتر بر دقیقه

4-5-2-3 ضریب انتقال جرم در بیوراکتور
در بیوراکتورهایی که از سیستم همزن مکانیکی استفاده می شود همزن مهمترین عامل برای پراکنده کردن گاز است که سرعت و طراحی آن نقش قابل توجهی در انتقال جرم دارند. روابط تجربی ای که برای محاسبه ضریب انتقال جرم حجمی وجود دارند عموما به چندین پارامتر هندسی وابسته اند، هرچند در متون علمی هیچ توافقی مبنی بر چگونگی لحاظ کردن این اثر وجود ندارد. وانت ریت335 رابطه ای را برای KLa بر اساس P/V پیشنهاد کرد با این ادعا که شکل هندسی همزن و تعداد همزنها نقشی در انتقال جرم در سیستمهای غیر ویسکوز ندارند. هر چند، زو و همکارانش336 توانستند با تغییر نوع پروانه نرخ انتقال جرم را 17% بهبود دهند [125].
ضریب انتقال جرم عموما از رابطه ای با فرم کلی زیر محاسبه می گردد:
(4-29)

که در آن KLaضریب انتقال جرم حجمی (بر ساعت)، Pg/V توان ورودی به ازای واحد حجم مایع (وات بر مترمکعب) و Us سرعت ظاهری گاز (متر بر ثانیه) است. ثوابت C، α وβ به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفاده بستگی دارند. خلاصه ای از روابط موجود در متون به همراه ثوابت تجربی شان در جدول 4-10 ارائه شده است. بیشترین معادله ای که برای سیستمهای غیر ویسکوز استفاده می شود رابطه ای است که توسط وانت ریت ارائه گردیده است که در آن 4/0=α و 5/0=β است [126]. همان طور که در جدول 4-10 دیده می شود بیشتر روابط ارائه شده برای سرعتهای بالای گاز و به خصوص برای هوادهی در فرایندهای هوازی قابل استفاده هستند. در حالی که سرعت ظاهری گاز سنتز در بیوراکتور در آزمایشهای انجام گرفته در محدوده 0176/0-0059/0 میلی متر بر ثانیه (شدت جریان 12-4 میلی لیتر بر دقیقه) بود بنابراین بیشتر روابط موجود در متون برای این کاربرد خاص قابل استفاده نبودند.

جدول ‏410: روابط تجربی برای پیش بینی ضریب انتقال جرم حجمی به شکل معادله (4-29) [126]
رابطه تجربی
T (متر)
Us (میلی متر بر ثانیه)
H/T
نوع همزن
خطای متوسط (%)

6/0-3/0
8/7-9/3
1 و 2
مختلف
11

232/0
10-5/1
4
4R
24

19/0
4/8-12/2
4
4R
20

19/0
4/8-12/2
4
4R
23

29/0
2/4-21/2
1
R
22

392/0
5/6-8/0
2
مختلف
25

43/0
18-4/5
2
مختلف
31

25/1-14/0
15-3


28

T: قطر مخزن، Us: سرعت ظاهری گاز، H/T: نسبت ارتفاع به قطر مخزن، R: پروانه نوع راشتون337

رابطه ای که ضریب انتقال جرم کلی (KLa) را بر اساس ضرایب انتقال جرم در فاز گاز (kgas) و فاز مایع (kliq) بیان می کن

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