بخشی از مقاله
چکیده
در این کار ابتدا طی یک سیستم ناپیوسته، تأثیر روشهاي مختلف پیش فراوري روي مخلوط میکروبی بیهوازي بررسی شد. روش هاي پیش فراوري انتخاب شده، در واقع شرایط سخت شیمیایی و فیزیکی میباشند که بر مخلوط میکروبی اعمال شدند. روش پیش فراوري اسیدي، بیشترین درصد هیدروژن را در میان تمامی روشها تولید کرد . - 41/43 - در بخش دوم این کار، تأثیر پارامترهاي مؤثر بر تولید بیوهیدروژن طی فرایند تخمیر نیز بررسی شده و با روش آماري بهینه شد.
تأثیر متغیرهاي دما، pH و نسبت F/M روي بازده هیدروژن تولید شده طی فرایند تخمیر بررسی شد. متغیرها با روش سطح پاسخ و طرح باکس-بنکن، بهینه شدند. بیشترین مقدار براي بازده تولید هیدروژن برابر با 372/90 mL هیدروژن بر گرم گلوکز، بدست آمد. این مقدار با انتخاب مقادیر دما برابر با 30/91 °C، pH=8 و F/M= 0/25 حاصل شد. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که روش سطح پاسخ در بهینه سازي فرایند تولید هیدروژن از گلوکز موفق بود.
مقدمه
هیدروژن مهمترین منبع انرژي میباشد که داراي مزیت تجدید پذیري بوده، مسئله آلودگی هوا و دیگر مشکلات زیست محیطی را نداشته و به آسانی با استفاده از سلولهاي سوختی قابل تبدیل به الکتریسیته میباشد - . - 1 تولید بیولوژیکی هیدروژن طی فرایند تخمیر، هم با استفاده از مخلوط میکروبی پیشفراوري شده و هم باکتري خالص انجام میشود. مخلوط میکروبی داراي شرایط عملیاتی سادهتر، کنترل آسانتر و سوبستراي متنوعتري میباشد. اما هیدروژن حاصل از باکتريهاي تولید کننده هیدروژن، به آسانی توسط باکتريهاي مصرف کننده هیدروژن - متانوژنها - موجود در مخلوط میکروبی، مصرف میشود. براي حفظ هیدروژن تولیدي باید طی فرایندي، فعالیت باکتريهاي مصرف کننده هیدروژن متوقف شده در حالی که باکتريهاي تولید کننده هیدروژن هنوز فعال باشند.
این فرایند پیشفراوري نامیده میشود - . - 2 از طرفی فرایند تخمیر بیهوازي، بسیار پیچیده و تحت تأثیر متغیرهاي زیادي است. بنابراین استفاده از طرح آزمایش مناسب براي درك بهتر از تأثیر متغیرهاي متفاوت روي فرایند، و بهینه سازي آنها براي بهبود عملکرد سیستم، بسیار حائز اهمیت میباشد. مطابق با تعداد متغیرهایی که در هر لحظه بررسی میشوند، میتوان طرح آزمایش را به دو دسته - 1 طرح یک متغیره و - 2 طرح چند متغیره تقسیم بندي کرد .
- 3 - روش سطح پاسخ یکی از روشهاي طرح چند متغیره است که در واقع مجموعهاي از تکنیکهاي ریاضی و آماري است که براي مدل کردن و تحلیل مسائلی که پاسخ مورد نظر تحت تأثیر چندین متغیر قرار میگیرد مفید است و هدف آن بهینهسازي این پاسخ میباشد. اگر پاسخ به خوبی به وسیله تابع خطی از متغیرهاي مستقل مدل شده باشد، آنگاه تابع تقریب کننده مدل مرتبه اول خواهد بود. اگر در سیستم خمیدگی وجود داشته باشد آنگاه باید از چندجملهايهاي مرتبه بالاتر نظیر مدل مرتبه دوم استفاده کرد.
- 1-1 - که در اینجا y ، پاسخ مورد نظر؛ ، ثابت؛ ، ضریب خطی؛ ، ضریب درجه دوم؛ ، ضریب برهمکنش و ، متغیر می باشد - . - 4 در بخش اول این کار، عملیات پیشفراوري مختلف انجام شد. سپس با مقابسه این روشها، بهترین عملیات پیشفراوري که بیشترین مقدار هیدروژن را تولیدي کند، انتخاب شد. در بخش دوم، ابتدا شرایط عملیاتی مؤثر بر فرایند انتخاب شد. سپس به کمک طرح باکس-بنکن که یکی از زیر شاخههاي روش سطح پاسخ است و با استفاده از نرمافزار MINITAB 15، پارامتر بازده تولید هیدروژن در شرایط عملیاتی انتخاب شده بهینه شد.
مواد و روشها مخلوط میکروبی
مخلوط میکروبی مورد نیاز براي این کار، از تصفیه خانه آب و فاضلاب جنوب اصفهان تهیه شد که مربوط به بخش لجن بیهوازي آن میباشد. pH، اکسیژن خواهی شیمیایی، جامدات معلق فرار و کل جامدات معلق این لجن فاضلاب به ترتیب عبارتند از: 6.4، 4637.26 mg/L، 25.368 g/L و .38.968 g/L قبل از استفاده، لجن دو بار توسط آب شهري شسته شد و سپس جهت جدا کردن ذرات ریزي مانند سنگ و ماسه از فیلتري با مش 2 میلیمتر عبور داده شد. در انتها این مخلوط میکروبی در دماي 8 °C براي استفاده در مراحل بعدي نگهداري شد - . - 5
روشهاي پیشفراوري و انتخاب متغیرهاي مؤثر
به منظور انتخاب یک عملیات پیشفراوري مناسب، 4 عملیات مختلف که بیشتر در مقالات استفاده شده، به عنوان عملیات اصلی و 6 عملیات دیگر که در واقع ترکیبی از 4 عملیات اصلی هستند، انتخاب شد - . - 5 نحوه آمادهسازي مخلوط میکروبی طی این 10 عملیات عبارتند از: - 1 اسیدي - : - A به کمک اسید کلریدریک - 37 - HCl درصد وزنی، pH مخلوط میکروبی روي 3 تنظیم شد. - 2 بازي - : - B به کمک هیدروکسید سدیم - 5 - NaOH نرمال، pH مخلوط میکروبی روي 12 تنظیم شد. - 3 گرمایش - : - C مخلوط میکروبی به مدت 2 ساعت در آون در دماي 105 °C قرار داده شد.
- 4 سرمایش - : - D مخلوط میکروبی به مدت 12 ساعت در فریزر در دماي -20 °C قرار داده شد. همانطور که ذکر شد، 6 روش ترکیبی از ترکیب این 4 روش اصلی بدست میآیند که شامل AB - 5، AC - 6، AD - 7، BC - 8، BD - 9 و DC - 10 میباشند. به عنوان مثال روش AB یعنی مخلوط میکروبی ابتدا تحت عملیات روش اسیدي - - A و سپس تحت عملیات روش بازي - - B قرار گرفت. بر اساس تحقیقات صورت گرفته، از دما و pH به عنوان دو پارامتر مستقل در این کار استفاده شد. از طرفی غلظت سوبسترا نیز یکی دیگر از پارامترهاي موثر میباشد. به جاي استفاده مستقیم از غلظت سوبسترا به عنوان یک پارامتر مستقل، در این کار از نسبت F/M استفاده شد. F نشان دهنده غلظت سوبسترا و M بیانگر جمعیت باکتریایی میباشد.
آمادهسازي نمونهها
پس از انتخاب متغیرها و انتخاب روش طراحی آزمایش و همچنین مشخص شدن تعداد آزمایشها، حال به راهاندازي آزمایش می پردازیم. مراحل کار به شرح زیر میباشد. بطريهاي شیشهاي با حجم 118 mL به عنوان هاضم وحجم کاري 50mL انتخاب شد. گلوکز خالص به همراه محیط کشت معدنی به عنوان سوبسترا استفاده شد. یک لیتر محیط کشت معدنی شامل CaCl2.2H2O، 100 mg؛ MnSO4.H2O، 100 mg؛ MgSO4.7H2O، 150 mg؛ ZnSO4، 25 mg؛ K2HPO4، 500 mg؛ KH2PO4، 500 mg؛ NH4Cl، 2000 mg؛ NH4H2PO4، 100 mg؛ FeSO4.7H2O، 50 mg؛ KCl، 100 mg؛ NaOH، 500 mg؛ NaHCO3، 4000 mg؛ H3BO3، 25 mg؛ CoCl2، 25 mg ؛ CuCl2، 50 mg و NiCl2.6H2O، 25 mg میباشد.
جهت انجام عملیات پیش فراوري، مخلوط میکروبی و محیط کشت با نسبت حجمی %20 به % 80 با هم ترکیب شدند. براي تنظیم pH، از محلولهاي NaOH و 5 HCl نرمال استفاده شد. با تزریق گاز ازت به مدت 45 ثانیه، سیسستم را بیهوازي کرده و بطري ها با یک درب لاستیکی و کپ آلومینیومی مسدود شد. بطريها داخل انکوباتور با دماي تعیین شده و دور 150rpm قرار گرفت. قابل ذکر است که تمامی نمونهها به صورت تکرار دوتایی انجام شد.
اندازهگیري هیدروژن تولیدي
براي محاسبه مقدار هیدروژن تجمع یافته، ابتدا باید حجم گاز تولید شده طی فرایند اندازهگیري شود. براي این منظور از سیستم جابجایی آب استفاده شد . - 7 - منحنی مقدار هیدروژن تجمع یافته مانند منحنی رشد است. یعنی به طور کلی ابتدا تولید هیدروژن با تأخیر زمانی همراه است، سپس تولید هیدروژن شروع شده و شدت میگیرد تا اینکه به بیشترین مقدار خود میرسد. در انتها نیز میزان هیدروژن تولیدي ثابت میشود. بنابراین هر منحنی داراي سه پارامتر مهم میباشد که عبارتند از: - 1 زمان تأخیر قبل از تولید توانی هیدروژن - - ، - 2 بیشترین نرخ تولید هیدروژن - Rmax - mL/h - - و - 3 بیشترین مقدار هیدروژن تولید شده - - - . - Hmax در بسیاري از فرایندهاي بیولوژیکی تولید گاز، براي بدست آوردن این سه پارامتر، از معادله اصلاح شده گامپرتز - رابطه - 2-1 استفاده میشود .
- 8 -
-1 - - 2 که در اینجا H - t - ، مقدارکل هیدروژن تولیدي تجمع یافته در مدت زمان t - h - از فرایند میباشد. بمنظور بدست آوردن شرایط بهینه باید آزمایشها با هم مقایسه شوند. هدف در این کار بدست آوردن شرایطی است که طی آن به بیشترین مقدار هیدروژن به ازاي کمترین مصرف سوبسترا برسیم. براي این منظور از پارامتر بازده هیدروژن تولیدي - Y - به عنوان پاسخ استفاده شد. -1 - - 3 طریقه محاسبه و در بالا ذکر شد. با مشخص بودن نسبت F/M براي هر نمونه، غلظت گلوکز در ابتداي فرایند مشخص میباشد. جهت اندازهگیري غلظت گلوکز در انتها، از دستگاه کروماتوگرافی مایع با راندمان بالا استفاده شد.
آنالیز دادهها
براي آنالیز مخلوط گازي، از دستگاه کروماتوگرافی گاز استفاده میشود. دستگاه استفاده شده در این کار ساخت شرکت Beijing Beifen چین و مدل Sp-3420A میباشد. نمونه به کمک گاز حامل که ازت خالص است، با شدت جریان 15 mL/min از ستون میگذرد. ستون مورد استفاده، از نوع Porapak Q ، جنس Stainles still ، قطر 1/8 in، طول 3 m و Mesh 80/100 میباشد. براي ستون، شناساگر، انجکتور و فیلامت به ترتیب از دماي50، 110، 90 و 240 درجه سانتیگراد استفاده شد. از دستگاه کروماتوگرافی مایع با راندمان بالا - HPLC - ، براي جداسازي اجزاي تشکیل دهنده یک محلول مایع استفاده میشود. دستگاه HPLC مورد استفاده در این کار ساخت شرکت Jasco ژاپن سري 900 میباشد.
