بخشی از مقاله
بررسی ایزومری شدن آنزیمی گلوکز به فروکتوز در یک جت راکتور با جریان پائین رونده
چکیده
واکنش ایزومریزاسیون گلوکزبه فروکتوز توسط آنزیم تثبیت یافته گلوکز ایزومرازدر یک جـت راکتوربـا جریـان پائین رونده (DJR) مورد مطالعه قرار گرفته است . در صد تبدیل گلوکز به فروکتوز اندازه گیری شد و با راکتور نا پیوسته مقایسه گردید. این واکنش که در صنعت و در راکتورهای بستر ثابت در زمانی حدود ٢ ساعت به ٤ درصد تبدیل می رسد درجت راکتور پس از ٣٠ دقیقه به همان درصد رسید. حال آنکه در راکتورهای نا پیوسته پـس از طی زمان ٣٠ دقیقه تبدیلی برابر با ٢٥%بدست آمد. با استفاده ازروش طراحی آزمایشگاهی تاگوچی شرایط بهینه سیستم تعین گردید. اثرات مقدار آنزیم قطر لوله مکش, فاصله نازل از لبه بالائی لوله مکش, شدت جریان مایع و شدت جریان گاز برروی میزان تبدیل گلوکز بررسی گردید.پس از تجزیه و تحلیل نتایج مشخص گردید که قطـر لوله مکش ونسبت دبی مایع به گاز به ترتیب بیشترین و کمترین اثر را برروی درصـد تبـدیل گلـوکز دارد.مـدل سینتیکی واکنش ایزومریزاسیون گلوکز مطالعه شد. در ابتدا با استفاده از یک رگرسیون غیر خطی پارامترهـای مدل میکائیلیس منتن تعیین گردید.در ادامه یک مکانیسم توسعه یافته برای واکنش ایزومریزاسیون ارائـه شـد. پارامترهای سینتیکی مدل توسعه یافته بدست آمد . از مقایسه داده های تجربی با مقـادیر تئـوری حاصـل از دو مدل میکائیلیس منتن و توسعه یافته مشخص شد که مدل سینتیکی توسعه یافته ازدقت بیشتری برخورداراست.
کلمات کلیدی: گلوکز ایزومراز, ایزومریزاسیون, گلوکز, جت راکتور با جریان پائین رونده, آنزیم تثبیت یافته
مقدمه
درجت لوﭖ راکتورها١ می توان به ویژگی های خاصی نظیر شدت پراکندگی زیاد گاز در مایع و در نتیجـه ضـریب انتقال جرم بالا و نیز مصرف انرﮊی نسبتا کم اشاره کرد. اساس کار این راکتورها بر فراهم سـاختن انـرﮊی جنبـشی زیاد توسط جریان جت مایع است به این ترتیب که مایع با سرعت بالا به راکتور تزریق می شـود تـا بـدین ترتیـب باعث اختلاط شدید دو فاز گاز – مایع و ایجاد پراکندگی بسیار ریز٢ ازدو فاز شود]١.[
بطور کلی پارامترهای مهم در سیستم های چند فـازی عبارتنـد از سـطح ویـژه تمـاس فازهـا کـه مقـدار آن مستقیما به میزان ماند گاز در سیستم بستگی دارد. ماند نیز به میزان زیادی وابسته به خواص فیزیکـی مـایع رﮊیم جریان و راندمان راکتور می باشد.
در این تحقیق یکی از انواع سیستم های JLR موسوم به جت راکتورهای با جریان پائین رونده٣ مورد بررسـی قرار گرفت .در این نوع راکتور جریان مایع وگاز بصورت هم جهت از قسمت فوقانی به پائین تزریق مـی شـود
.گاز به کمک جت مایع و بر خلاف نیروی ارشمید س به سمت پائین وبه عمق مایع رانـده میـشود ]٢. [ ایـن موضوع باعث افزایش مسیر حرکت و افزایش زمـان اقامـت گـاز و در نتیجـه افـزایش موجـودی گـاز خواهـد شد]٣.[همچنین نحوه طراحی و محل استقرار شیپورک درلوله مکش درمیزان پراکنـده سـازی گـاز در مـایع بسیار موثر است ]٤.[ استقرار شیپورک در قـسمتهای فوقـانی باعـث مـی شـود تـا درفراینـدهایی بـا ذرات جامدمعلق سروکار دارند براحتی بتوان از DJR ها استفاده نمود. به عنوان مثال در واکنش های تصفیه پـساب با لجن فعال که حاوی رسوبات معلق است برای هوادهی میتوان از DJRها استفاده نمود]۵،٦.[
در این تحقیق ایزومریزه شدن -D گلوکز به فروکتوز با استفاده ازآنزیم تثبیت یا فته گلوکزایزومراز (به عنـوان یک واکنش زیستی جامد –مایع در جت راکتور با جریان پائین رونده مورد بررسی قرار می گیرد . این واکنش در صنعت از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا -D گلوکز بصورت مستقیم نمی تواند بجای سـاکارز یـا قنـد معمولی بکار رود و همچنین نسبت به ساکارز از شـیرینی کمتـری برخـوردار اسـت وکریـستال شـدن آن در محلولها انجام فرایند رابا مشکل مواجه می سازد. واکنش ایزومریزه شدن گلوکز به فروکتوزبرگشت پذیر مـی باشد و درصد تبدیل تعادلی گلوکز به فرو کتوز در شرایط صنعتی یعنی دمای ٥٥ درجه سانتیگراد حدود ٥٠% است. واکنش گرماگیر و گرمـای واکـنش برابـر 5 KJ/MOL مـی باشـد. ایزمریـزه شـدن گلـوکز معمـولأ در راکتورهای لوله ای پر شده با آنزیم تثبیت یافته با سرعت حجمی 0.2- 2 L/h صورت می گیرد.
یکی از اهداف این تحقیق اجرای واکنش ایزومریزه شدن در جت راکتور با جریان پـائین رونـده و مقایـسه در صد تبدیل گلوکز در راکتورهای نا پیوسته همزن دار می باشد.
مجموعه تحقیقاتی
در شکل شماره ١ مجموعه تحقیقاتی نشان داده شده است . نازل و لوله مکش هردو روی محور بدنه اسـتوانه ای شکل مستقر هستند موقعیت نازل در لوله مکش را می توان از بالاترین تا پائین ترین نقطه در ایـن لولـه تغییر داد. سایر اطلاعات ابعادی بیوراکتور در جدول ١ ارائه شده است .نازل اهمیت بسیاری در نحوه پراکنـده شدن گاز در فاز مایع و میزان مومنتوم جت جریان و اختلاط دو فاز دارد. در شکل ٢ تصویر نـازل ارائـه شـده است. در داخل نازل هیچ گونه تماسی بین دو فاز بوجود نمی آید.جریان مایع در دو حلقه دوران می کندحلقه داخل راکتور و حلقه خارج آن . جریان گاز و مایع بعد از خروج از نازل با شدت وارد لوله مکش شده و بـدلیل مومنتوم زیاد مسیر لوله مکش را از بالا تا انتهای آن طی می کندو در انتها بـا شـدت بـه صـفحه برخـوردی١ کوبیده می شود. این صفحه سه وظیفه مهم را انجام می دهد که عبارتنـد از : ١- جلـوگیری از خـروج گازبـه همراه مایع از مجرای تحتانی راکتور و انتقال آن بـه پمـپ ٢- تغییـر جهـت جریـان گـاز و مـایع و هـدایت حبابهای گاز و جریان مایع به سمت بدنه راکتور و انتقال آن به نا حیه حلقوی برای صعود به سـمت بـالا ٣-برخورد شدید دو جریان به این صفحه وایجاد اختلاط زیاد بین دو فاز و تولید حبابهای ریزتر.
شکل۲- تصویر برش طولی نازل
جدول ۱- ابعاد جت راکتور با جریان پائین رونده
0.5 Hr Reactor height (m):
0.1 Dr Reactor diameter (m) :
0.051 Dd Draft tube diameter (m) :
0.372 Ratio of draft tube diameter to reactor diameter : Dd / Dr
0.26 Ld Draft tube length (m) :
0 , 0.115 , 0.25 Hn Nozzle immersion height (m) :
Distance between in lower edge of
0.045 Hp the draft tube and the impact plate (m) :
0.001 DG Air hole diameter in nozzle (m) :
0.006 Di Liquid annular hole inside diameter in nozzle (m) :
0.008 Do Liquid annular hole outside diameter in nozzle (m) :
0.35 HL Clean liquid level height in reactor (m) :
0.35 - 0.45 HLG Two phase dispersion level height in the reactor (m)
مواد
تمام مواد شیمیایی مورد استفاده در این تحقیق از جمله گلوکز بصورت بسیار خالص و متعلق به شرکت Merckبوده است .آنزیم تثبیت یافته گلوکز ایزومراز (Ec.5.3.1.5 D- Xylose Ketol- Isomerase) با نام تجاری Sweetzyme t توسط شرکت Novo به بازار عرضه می شود و از میکروارگانیسم Streptomyces murinus بدست می آید. این آنزیم بصورت گرانول های استوانه ای شکل و به رنگ قهوه ای می باشد که اندازه ذرات آن بین ٣/٠ تا ١ میلیمتر و دارای فعالیتی معادل با 350 IGIU/gr می باشد.
روشهای سنجش
اندازه گیری غلظت گلوکز به کمک روش glucose oxidase /peroxidase و تعیین غلظت فروکتوزتوسط روش Cystin –Carbasol صورت می گیرد ]۸،۷.[ دقت این روش با سنجش غلظت مشخصی از این دو منو ساکارید آزمایش شده است و حداکثر خطای مشاهده شده حدود ٤%می باشد.
اجرای آزمایش ها
خوراک شامل ٦ لیتر از محلول ١/٠ مولار گلوکز و٠١/٠ مولار سولفات منیزیم بعنوان پایدارکننده در دمای ٢٥ درجه سانتیگراد وpH ٥/٧ بود . سپس دمای محلول به ٦٠ درجه سانتیگراد افزایش می یافت وجهت هوازدائی از آن از گاز نیتروﮊن استفاده بعمل می آمد که از طریق نازل درون راکتور پخش می شد . پس از رسیدن به دمای مطلوب آنزیم به داخل راکتور افزوده شده و در زمانهای مختلف از محصول نمونه برداری و برای اطمینان از عدم پیشرفت واکنش تا زمان آنالیز به مدت ١٥ دقیقه جوشانده می شد و سپس مورد تجزیه قرار می گرفت.
نتایج و بحث
١. ایزومریزاسیون گلوکز به فروکتوز در جت راکتور
واکنش ایزومریزاسیون گلوکز با مقادیر مختلف آنزیم انجام شد. در این آزما یشات دبی مایع 450 lit/hr و دبی گاز 3 lit/min بوده است . در شکل ۳ تغییرات درصد تبدیل گلوکز نسبت به زمان در شرایط مختلف رسم شده است .در شکل ۴ تغییرا ت درصد تبدیل گلوکز نسبت به زمان در راکتور ناپیوسته مشاهده می شود.
2. بهینه سازی سیستم
برای بهینه سازی فرایند از طراحی آزمایش ها به روش تاگوچی استفاده گردید . فاکتورهایی که در ایزومریزاسیون موثر و مهم می باشند به صورت زیر انتخاب شدند:
فاکتور : A قطر لوله مکش
فاکتور :B فاصله نازل از لبه بالائی لوله مکش فاکتور :C مقدار آنزیم
فاکتور :D نسبت دبی مایع به گاز
آرایه متعامد مناسب برای این حالت آرایه L9 می باشد. نحوه چیدن فاکتورها و سطوح مورد بررسی به صورت جدول ۲ ارائه شده است. پس از انجام ٩ آزمایش مطابق ترکیب فوق شرائط بهینه تعیین شده و تست بهینه انجام گردید.
در این آزمایش ها درصد تبدیل گلوکز پس از زمان ٢٠ دقیقه به عنوان پاسخ سیستم در نظر گرفته شد. نتایج ٩ آزمایش در شکل ۵ ارائه شده است .در شکل های ۶ تا ۹ نمودار میله ای این سطوح رسم شده است . با
