21589

21589

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

دكتري تخصصي

مهندسي شيمي

90-91

1397/12/5

دكتر پريسا حجازي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

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.

1398/10/26

Investigation of Substrate Concentration and Temperature Effects on Kinetics of Bacterial Growth and Their Application in Solid State Fermentation Modeling

1/14/2020 12:00:00 AM

In solid state fermentation, bacterial growth is largely limited to the surface of the solid particles, which leads to substrate concentration gradients within the particle and its surrounding biofilm. Therefore, substrate limitation is a major concern in solid-state fermentation. In addition, the thermal conductivity of the solid media is very poor due to the lack of free water. So the overheating problem is typically occurs in solid state bioreactors throughout the bed of bioreactor which lead to hetrogeneous in the growth. This research presented a semi-mechanistic model that was able to describe the heat transfer in a packed bed bioreactor incorporation with local substrate transport phenomena in intra particle scale. The model was developed by introducing a new simultaneous temperature, substrate and biomass-limited growth kinetic equation. The parameters of the proposed kinetic equation and other prameters was independently determined. The model was solved and validated by experimental data of growth of Pseudomonas aeruginosa on agar spheres containing 2% glucose in small packed-bed tubes (diameter 3 cm and height of 6 cm) and growth of bacteria on the agar spheres containing 0.03 gcm-3 glucose in a polypropylene packed-bed bioreactor covered with thermal insulating material (diameter of 6 cm and height of 30 cm). The proposed kinetic along with glucose dependent and O2-glucose dependent kinetic equations were inserted in the model and the model was solved and results from the prediction were compared with experimental data of bacterial growth in tubes. Based on the obtaining R2 the proposed model was more compatible with experimental data and was able to properly describe the solid state fermentation systems. The predictions results also showed that at high initial starch concentration (4% starch), free glucose and O2 were not the limiting factors, and bacterial growth was limited by other factors related to the amount of biomass in the biofilm. The prediction results of temperature profile in the bed showed that temperature gradients in the axial and radial direction were 0.11 and 0.22 °C.cm-1 bed respectively which affected by factors like superfacial velocity, initial substrate concentration and diameter of particles. At initial glucose concentration of 0.1 g.cm-3, the temperature at the top of the the bed rised to 49°C and after 10 h of the growth beginning, temperature limitation controlled the growth. If the diameter of substrate particle increased, the glucose concentration in the agar spheres would increase and the amount of biomass increased and the growth rate would decrease significantly due to high biomass inhibitory and temperature gradients decreased in the bed due to the low growth and low methabolic heat generation. For example, when the radius of agar sphere was 0.05 cm, glucose was consumed after 18h of growth beginning and the temperature gradient of 17 °C was created at the top of the bed. But only half of glucose in agar sphere with radius of 0.2 cm was consuened after 40 h and the temperature gradient was less than 5 °C.

بيوتكنولوژي

biotechnology