بخشی از مقاله
چکیده
عملکرد بیوراکتور گلوکز ایزومراز تثبیتشده استوانهای در ایزومریزاسیون گلوکز به فروکتوز بررسی گردید. در مطالعات تجربی تاثیر جp، دما و غلظت خوراک بر درصد تبدیل مورد مطالعه قرار گرفت. علاوه بر این با استفاده از روابط ریاضی عملکرد بیوراکتور شبیهسازی گردید. در این شبیهسازی، برگشتپذیری واکنش، تغییرات غلظت و ضریب نفوذ سوبسترا و محصول در دانه کاتالیست و در طول بستر، چگالی جریان، جp، ویسکوزیته و سرعت جریان و نحوه تاثیر آنها بر عملکرد بیوراکتور ملحوظ گردید. مقایسه بین غلظت تئوری و اندازهگیریشده سوبسترای خروجی در غلظتهای مختلف خوراک میزان اختلاف را کمتر از ٥% و تطابق مقبولی را بین این دادهها نشان میدهد.
کلمات کلیدی: گلوکز, فروکتوز, آنزیم تثبیتشده, گلوکز ایزومراز, مدلسازی, راکتور بستر ثابت - پرشده - , بیوراکتور, حًد
مقدمه
از اواخر دهه ٧٠ میلادی، تبدیل دکستروز به فروکتور در بیوراکتور منقطع آغاز گشت و همگام با رشد روزافزون این صنعت، فرآیند تولید نیز متحول گردید. در این تبدیل از آنزیم محلول با نام گلوکز ایزومراز و نام علمی دی- زایلوز-کتول- ایزومراز - زحذحصحز هغ - استفاده گردید. با ارائه فناوری آنزیم تثبیتشده در سال ١٩٧٤ تحولی اساسی در این فرایند صورت گرفت. از آن زمان تا کنون کاربرد انواع راکتورهای پرشده, بستر سیال و غیره در این فرآیند تحقیق گردیدهاند و امروزه ترجیح نسبی بیوراکتور بستر ثابت محرز گردیده است.
به دنبال این دستاورد تحقیقاتی، تلاشها عمدتا بر بهینهسازی کاربرد این نوع بیوراکتورها با تکیه بر شبیهس سازی آنها متمرکز گردیده است. ذکر این نکته لازم است که یک بیوراکتور ممکن است در یک شرایط عملیاتی خاص عملکرد مطلوبی داشته باشد اما این عملکرد مدت زمان طولانیی تداوم نداشته باشد. به عنوان مثال، با افزایش دما سینتیک فرآیند تقویت شده و سرعت واکنش افزایش مییابد. اما برای آنزیم که مادهای آلی است پایداری موضوع مهمی است و در دمای بالاتر عمر کوتاهتری دارد. همین ملاحظه در مورد دژ و نیز غلظت بعضی از اجزاﺀ حاضر در محیط صادق است. به همین خاطر هدف اصلی همه تلاشهای شبیهسازی، تعیین شرایطی است که در دراز مدت بهترین نتیجه از منابع به کار رفته در فرآیند حاصل گردد.
در این راستا، ذرات حاوی آنزیم و نیز بیوراکتور بستر ثابت فرآیند ایزومریزاسیون گلوکز به فروکتوز شبیهس سازی شده و صحت آن با استفاده از دادههای تجربی اندازهگیری شده تحقیق گردید. از ویژگیهای شبیهس سازی صورتگرفته توجه به پارامترهایی همچون دما، غلظت و ضریب نفوذ سوبسترا و محصول در دانه کاتالیست و در طول بستر، چگالی جریان، دژ، ویسکوزیته و سرعت جریان و نحوه تاثیر آنها بر عملکرد بیوراکتور میباشد. با توجه به تغییرات عارض شده در طول بستر، تغییرات شاخص فعالیت دانه کاتالیستی - طپصطهً کککغکهطصطکسسغ - نیز مورد توجه قرار گرفته و به عنوان تابعی از طول بستر محاسبه گردیده است. در بعد تجربی نیز از یک نمونه آنزیم تجاری جدید عرضه شده به بازار استفاده شده و پارامترهای سینتیکی آن با نمونه قبلی مورد مقایسه قرار گرفتهاند. در نهایت با استفاده از مدل توسعه یافته اثر دژ و دما بر تبدیل آنزیمی بررسی گردید.
مواد و روشها
شکل ١ نمایی از مجموعه آزمایشگاهی مورد استفاده را ارائه می نماید. بیوراکتور لوله ای دو جداره از جنس پیرکس به قطر ١٢ و طول ١٥٠ میلیمتر حاوی آنزیم نثبیتشده میباشد. درجه حرارت بیوراکتور با گردش آب در ﮊاکت کنترل میگردد. سوبسترا از یک بورت با دبی کنترل شده به بالای بیوراکتور وارد و از پایین آن خارج میگردد. زمان ماند سوبسترا در بیوراکتور توسط شیری که در خروجی قرار دارد تنظیم میگردد.
آنزیم تثبیت شده گلوکز ایزومراز استوانهای شکل با نام تجاری کعzyصککwح بود و از شرکت نوو جقبقشض تهیه گردید. سوبسترای مورد مصرف گلوکز خالص بود که بصورت پودر دکستروز حاوی %٨ رطوبت از شرکت دکستروز ایران تهیه گردید. برای آنالیز محصول از دستگاه - حپه کطکصهح - هعبد با ستون فهبسطه؟أح استفاده شد.
شکل ١-شنمایی از مجموعه آزمایشگاهی.
توسعه مدل ریاضی
سینتیک آنزیم آزاد
رایجترین مدل سینتیک آنزیمی در تلاشهای شبیهسازی، مدل ساده و غیر ساختاری 2 - کطأصطأطصک غپغ - میکائیل-منتن - غکصغکقسکطئکهلاططق - مطابق رابطه ١ است.
یک فرض مهم در توسعه این مدل برگشتناپذیری واکنش آنزیمی استح عموما در ابتدای واکنشهای برگشتپذیر هنگامیکه غلظت سوبسترا زیاد و غلظت محصولات پایین است، شرایط واکنشهای برگشت ناپذیر صادق می باشد. رابطه سینتیکی واکنشهای برگشت پذیر پیچیده تر است و در یک حالت عمومی به صورت رابطه بنیادی ٢ می باشد:
در شرایطی که در محیط واکنش فقط سوبسترا و یا فقط محصول حضور داشته باشد، رابطه ٢ به صورت دو رابطه برگشتناپذیر ٣ و ٤ در می آید:
با جایگزینی روابط ٨-٥ در رابطه ٢ , رابطه ٩ به شکل زیر به دست میآید:
