31635

بررسي اثر انواع سوبستراها بر هضم بيهوازي در جامعه ميكروبي سنتزي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1401

1403/09/06

دكتر فرشته نعيم پور

-

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين پژوهش، اثر نوع سوبسترا (ساده (گلوكز) يا پيچيده (كربوهيدرات، پروتئين و چربي، يا تركيب آنها)) بر پتانسيل توليد متان و رشد جامعه ميكروبي هضم بيهوازي (يك فرآيند زيستي كه طي آن پسماندها به مولكولهاي ساده تر و در نهايت به متان تبديل ميشوند) مورد بررسي قرار گرفت. در ابتدا مدلسازي متابوليكي سه عضو اصلي اين جامعه (1: هيدروليز كننده و اسيدزا، 2: استوژن و 3: متانوژن) با افزودن واكنش هاي اختصاصي هر عضو به يك مدل پايه (شامل مسيرهاي اصلي) به منظور شبيه سازي رفتار اين باكتريهاي بيهوازي انجام شد. همچنين، جامعه ميكروبي متشكل از مدلهاي متابوليكي منفرد اين سه عضو بازسازي شد. رفتار اعضا ابتدا بصورت منفرد (با سوبستراي اختصاصي در فرآيند هضم بيهوازي) بررسي گرديد و در صورت نياز مدلهاي بازسازي شده با توجه به رفتار واقعي اصلاح شدند. نتايج باكتري اسيدزا منفرد هنگام حداكثر سازي رشد (0.0387 بر ساعت) روي گلوكز نشان دهنده توليد پروپيونات، استات، اتانول، لاكتات و يا فرمات ميباشد، در حاليكه توليد محصول غيرمرتبط با رشد بوتيرات منجر به كاهش حداكثر نرخ رشد ميشود. رشد باكتري استوژن روي محصولات مرحله اسيدزايي منجر به توليد استات و يا هيدروژن گرديد و نرخ رشد با سوبستراي اتانول و تركيبي از پروپيونات و بوتيرات (در مجموع يك ميلي مول با نسبت مساوي) به ترتيب كمترين (0.0367 بر ساعت) و بيشترين (0.0813 بر ساعت) مقادير را نشان دادند. رشد باكتري متانوژن روي هيدروژن و كربن دي اكسيد، استات و يا فرمات نشان داد كه استات منجر به بالاترين رشد (0.0423 بر ساعت) ميگردد. نتايج شبيهسازي رشد جامعه ميكروبي شامل سه عضو روي گلوكز نشان دهنده حداكثر رشد (0/127 بر ساعت) و حداكثر توليد متان برابر 2.9 ميلي مول بر گرم بر ساعت ميباشد. كسر جرمي زيست توده در سوبستراي گلوكز به ترتيب براي باكتري اسيدزا، استوژن و متانوژن برابر 0.18، 0.23 و 0.59 گرم محاسبه شد. به شرط ورود سولفات و آمونيوم به جامعه، يك گرم چربي، پروتئين يا كربوهيدرات به ترتيب منجر به حداكثر رشد برابر 1.4368، 0.8377 و 0.7872 ميلي مول بر گرم بر ساعت ميگردد. در عدم حضور سولفات و آمونيوم (منابع ورودي گوگرد و نيتروژن)، ميكروارگانيسم ها از محصولات تجزيه پروتئين براي تامين اين عناصر استفاده مي كنند. در اين حالت، حداكثر رشد جامعه (0.4096 بر ساعت) و بيشينه توليد متان 42 ميلي مول بر گرم در ساعت هنگام استفاده از تركيب چربي و پروتئين به ترتيب به ميزان 0.664 و 0.336 گرم (مجموعا يك گرم) محاسبه شد. اين يافته ها نشان دهنده تأثير قابل توجه نوع سوبسترا بر كارايي فرآيند هضم بيهوازي بوده و ميتواند راهگشاي بهينه سازي طراحي و بهره برداري سيستم هاي هضم بيهوازي باشد.

1403/09/12

Investigating the effect of different types of substrates on anaerobic digestion in synthetic microbial community

11/26/2025 12:00:00 AM

In this study, the effect of substrate type on methane production potential and growth of anaerobic digestion microbial community has been investigated by metabolic modeling of the three main members of this community (1: hydrolyzer and acidogene, 2: acetogene and 3: methanogene) using metabolic flux analysis. A core model consisting of the main and common pathways of bacteria was used to reconstruct the three metabolic models of members by addition of their relevant specific reactions. Behavior of individual microorganisms and microbial community was investigated using two types of simple (glucose) and/or complex (carbohydrate, protein and fat, or their combination) substrates. Models of individual members were examined using their specific substrates (based on those in anaerobic digestion process) and models were cured to represent their actual behavior. Results of single acidogenic bacteria when maximizing growth (0.0387 1/h) on glucose showed the production of propionate, acetate, ethanol, lactate or formate, while butyrate (unrelated product) production led to a decrease in the maximum growth rate. Growth of acetogene bacteria on products of acidogenesis stage led to production of acetate or hydrogen. The highest (0.0813 1/h) and lowest (0.0367 1/h) growth rates were observed on ethanol and a mixture of propionate and butyrate (total of 1 mmol in equal ratio), respectively. The highest growth rate of methanogenic bacteria (0.0423 1/h) belonged to acetate as substrate among hydrogen, carbon dioxide, acetate or formate. Microbial community showed maximum growth (0.127 1/h) and maximum methane production of 2.9 mmol/gDWC/h on glucose as substrate. Mass fraction of members 0.18, 0.23 and 0.59 were obtained for acidogene, acetogene and methanogene bacteria, respectively. Maximum growth rates of community obtained on one gram of fat, protein or carbohydrate were 1.4368, 0.8377 and 0.7872 1/h and maximum methane productions were 42, 19.5 and 18.5 mmol/gDWC/h, respectively. In the absence of sulfate and ammonium (sources of S and N atoms), microorganisms used protein degradation products to supply these elements. In this case, the maximum community growth (0.4096 1/h) and maximum methane production of 42 mmol/gDWC/h were obtained when using a combination of fat and protein substrate at 0.664 and 0.336 g, respectively (total of one gram). These findings indicate the significant effect of substrate type on efficiency of anaerobic digestion process and can be a guide to optimizing the design and operation of anaerobic digestion systems.

جامعه ميكروبي هضم بيهوازي , مدلسازي متابوليكي , SteadyCom , سوبسترا , بيوگاز

Microbial community of anaerobic digestion , Metabolic modeling , SteadyCom , Substrate , Biogas

mozhan hosseinnia

dr. fereshteh naeimpoor