بررسي اثر غلظت سوبسترا و دما بر سينتيك رشد باكتريايي و كاربرد آن در مدل سازي تخمير حالت جامد

دكتري تخصصي

در تخمير حالت جامد چون رشد باكتري غالبا به سطح سوبسترا محدود مي¬شود، گراديان¬هاي غلظت در داخل ذره سوبسترا و بيوفيلم اطراف آن وجود دارد. در نتيجه محدوديت سوبسترا در بيوفيلم يكي از مهمترين چالش¬هاي پيش روي محققان در تخمير حالت جامد است. همچنين با توجه به نبود آب آزاد در سيستم و كوچك بودن ضريب هدايت حرارتي بستر، گراديان¬هاي دمايي در سرتاسر بستر بيوراكتور وجود دارد كه باعث ناهمگني رشد در بستر مي¬شود. در اين تحقيق يك مدل رياضي شبه مكانيستيك براي سيستم تخمير حالت جامد ارائه شد، كه قادر است همزمان به توصيف پديده¬هاي انتقال حرارت در داخل يك بيوراكتور بستر آكنده حاوي گلوله¬هاي سوبستراي آگاردار و انتقال جرم در مقياس بين¬ذره¬اي بپردازد. يك سينتيك رشد جديد ارائه شد كه در آن سرعت رشد ويژه تابعي از دما، غلظت گلوكز و مقدار بيومس در بيوفيلم است. ثوابت اين سينتيك جديد و ديگر پارامترهاي مدل به¬روش تجربي تعيين شدند. مدل با استفاده از داده¬هاي آزمايشگاهي رشد باكتري سودوموناس ائروجينوزا بر گلوله¬هاي آگار حاوي 2% نشاسته در لوله¬هاي كوچك شيشه¬اي (قطر cm 3 و ارتفاع cm 15) و داده¬هاي آزمايشگاهي رشد و پروفايل دما در يك بيوراكتور بسترآكنده پلي¬پروپيلني عايق شده با قطر cm 6 و ارتفاع cm 30 حاوي گلوله¬هاي آگار با غلظت اوليه gcm-3 03/0 گلوكز اعتبارسنجي شد. سينتيك رشد جديد پيشنهادي به همراه سينتيك¬هاي وابسته به گلوكز و اكسيژن در مدل رياضي وارد و پس از حل با نتايج تجربي لوله¬هاي كوچك مقايسه شدند. براساس R2 بدست آمده مشخص شد كه اين مدل با سيستم تخمير حالت جامد سازگارتر است و توصيف بهتري از رشد باكتري ارائه مي¬دهد. همچنين نشان داده شد كه محدودكنندگي گلوكز و اكسيژن در غلظت¬هاي بالاي نشاسته (4%) اهميتي ندارد و احتمالا رشد در اثر عواملي مرتبط با افزايش غلظت بيومس در بيوفيلم محدود مي¬شود. نتايج شبيه¬سازي پروفايل دما در داخل بيوراكتور بسترآكنده نشان داد كه گراديان دمايي در جهت محوري و شعاعي بترتيب 11/0 و °C.cm-1 bed 22/0 مي¬باشد كه البته به سرعت هوادهي، غلظت اوليه منبع كربن و قطر ذرات بستگي دارد. افزايش غلظت منبع كربن تا gcm-3 1/0 باعث مي¬شود تا دما در ناحيه بالاي بستر بيوراكتور به °C 49 افزايش يابد و شرايط محدوديت دمايي بعد از 10 ساعت از شروع رشد ايجاد شود. همچنين با افزايش قطر ذرات سرعت رشد به¬دليل افزايش بيومس بر سطح سوبسترا و افزايش اثر بازدارندگي بيومس بر رشد كاهش مي-يابد. در نتيجه حرارت توليدي كمتر شده و باعث كاهش گراديان¬هاي دمايي در بستر مي¬شود. بعنوان مثال گلوكز موجود در ذرات با شعاع cm 05/0 بعد از h 18 در اثر رشد سريع تمام مي¬شود و گراديان دمايي بيش از °C 17 در بالاي بستر ايجاد مي¬شود. اما فقط نيمي از گلوكز موجود در ذرات با شعاع cm 2/0 بعد از h 40 تمام شده و گراديان دمايي كمتر از °C 5 مي¬شود.

193949

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي

دكتر پريسا حجازي