بخشی از مقاله
چکیده
یک واحد پایلوت تخمیر جامد شامل سسیتم تامین هواي استریل مرطوب، سیستم کنترل اتوماتیک، تجهیزات تامین بخار، تجهیزات تامین هواي گرم و بیوراکتور به ظرفیت ده کیلوگرم سوبسترا ي مرطوب طراحی و ساخته شده و آزمایش گردید. بستر کشت در بیوراکتور، داراي طول 70 سانتیمتر، عرض 45 سانتیمتر و ضخامت ده سانتیمتر بوده و هوادهی بستر بصورت اجباري انجام میشود. تجهیزات مناسب براي همزدن و مرطوب سازي بستر ابداع شده و در بیوراکتور نصب گردیده که امکان همزدن متناوب یا پیوسته بستر و مرطوب سازي یکنواخت آنرا در مقدار دلخواه فراهم میکند. به منظور کنترل رطوبت بستر یک مدل ریاضی توسعه یافته که با کمک آن تنها با اندازه گیري اختلاف دماي هوا در ورودي و خروجی بیوراکتور میتوان در هر لحظه رطوبت و وزن بستر را براورد نمود و میزان آب مورد نیاز براي تامین رطوبت بهینه در بستر را محاسبه کرد.
یک نرم افزار مناسب در محیط labview طراحی شده که به کمک آن وبا استفاده از سخت افزارهاي لازم مونیتورینگ و کنترل پایلوت بر اساس الگوي دلخواه قابل انجام است. کشت یک گونه آسپرژیلوس نیجر بر سبوس گندم در پایلوت مزبور با موفقیت تست شد. تکمیل پایلوت و ساخت یک بیوراکتور پیوسته بر مبناي دانش فنی حاصل از پایلوت کنونی در دست انجام است. دانش فنی بدست آمده امکان طراحی واحدهاي صنعتی را فراهم میکند.
مقدمه
سطح مواد جامد مرطوب محیط طبیعی رشد میکروارگانیزم هاي رشته اي بوده و بنابراین انتظار میرود کارائی آنها درتخمیر جامد در مقایسه با تخمیر غوطه ور باشد. درستی این امر در پژوهشهاي مختلف به اثبات رسیده است.[2 ,1] عیلرغم این واقعیت اکثر فرایند هاي تولید محصولات بیولوژیکی قارچهاي رشته اي از قبیل اسیدهاي آلی، آنتی بیوتیکها، آنزیم هاو... به روش تخمیر غوطه ور انجام میشود که دلیل اصلی این امر دشواریهاي کار با مواد جامد در مقایسه با مایعات است.[3] این دشواریها با افزایش مقیاس به مراتب بزرگتر شده و مانع از توسعه بیوراکتورهاي بزرگ مناسب براي تولید اقتصادي در مقیاس صنعتی میگردد. مهمترین این مشکلات حذف حرارت متابولیکی و کنترل دما و رطوبت بستر در دامنه مناسب است که ابعاد آن بخوبی تشریح شده اند.[5 ,4]
وجود این چالش موجب شده طراحی بیوراکتورهاي مناسب به یک زمینه پژوهشی فعال تبدیل شود و دراین راستا انواع مختلفی از بیوراکتورها درمقیاس آزمایشگاهی ساخته شده اند.[6] بهرحال تنها تعداد اندکی به مقیاس صنعتی وارد شده اند که یکی از پیشرفته ترین آنها توسط کمپانی Biocon به ثبت رسیده است. [7] دراین مقاله جزئیات یک بیوراکتور و سیستم هاي جانبی آن تشریح میگردد که در مرکز تحقیقات کشاورزي و منابع طبیعی اصفهان با هدف دستیابی به دانش فنی تخمیر جامد در مقیاس صنعتی ساخته شده است. تکمیل پایلوت و ساخت یک بیوراکتور پیوسته بر مبناي دانش فنی حاصل از پایلوت کنونی در دست انجام است. دانش فنی بدست آمده امکان طراحی واحدهاي صنعتی را فراهم میکند
مواد و روشها
تشریح پایلوت: جریان هوا بوسیله یک بلوئر سانتریفوژ تامین میشود. جریان هوا وارد سیستم اشباع سازي میشود. این سیستم شامل یک مخزن آب است که یک ستون توخالی بر بالاي آن نصب شده و جریانی از آب توسط یک پمپ از مخزن گرفته شده و از بالاي ستون اسپري میشود. هوا وارد ستون شده و از پائین به سمت بالا جریان می یابد و در اثر تماس با آب اشباع شده و دماي آن نیز برابر دماي آب می شود. بدین ترتیب دماي هوا ازطریق تنظیم دماي آب داخل مخزن تنظیم میشود.
تنظیم هواي داخل مخزن با استفاده از یک المان برقی ویک ترموستات انجام میشود. هوا در خروج از اشباع ساز حاوي ذرات آب است که این ذرات با عبور از یک سیکلون جدا شده و هواي اشباع عاري از ذرات آب ابتدا وارد یک روتامتر شده وسپس با عبور از دولایه فیلتر استریل گشته وارد بیوراکتور میشود. تعدادي المان برقی بر سطح خارجی لوله فلزي که هوا در آن جریان دارد نصب شده که با تنظیم اتوماتیک بارحرارتی این المان ها هوا تا دماي مطلوب گرم شده و بدین ترتیب رطوبت نسبی آن تنظیم میشود.
جریان هوا در ورود به بیوراکتور بطور یکنواخت در داخل یک سینی توزیع میشود. بر روي این سینی یک سینی دیگر به ابعاد 70×45×10 سانتیمتر قرار گرفته که کف آن مشبک بوده بستر تخمیر جامد بطور یکنواخت و با ضخامت حداکثر ده سانتیمتر در داخل آن توزیع میشود. جریان هوا با عبور از صفحه مشبک وارد بستر شده و پس ازتبادل اکسیژن، دي اکسید کربن و حرارت با بستر از سطح بالائی بستر خارج شده و با عبور از یک منفذ فیلتر دار از بیوراکتور خارج شده و وارد هواي محیط میگردد. سینی هاي مزبور در پوسته بیوراکتور که اطاقکی دوجداره از جنس فولاد ضدزنگ با ابعاد 75×50×80 سانتیمتر است قرار دارند.
براي پاستوریزه کردن بستر و به حداقل رساندن بار آلودگی اولیه از جریان مستقیم بخار استفاده میشود. این بخار از یک بویلر تامین شده و با عبور از یک خط لوله در ورودي بیوراکتور وارد مسیر جریان هواشده و در بستر توزیع میشود . به موازات مسیر اصلی جریان هوا یک مسیر جانبی و یک محفظه دو جداره حاوي گرمکن هاي برقی براي تولید هواي گرم با دماي قابل کنترل به منظور خشک کردن بستر تخمیر شده نصب گردیده است.
براي همزدن بستر یک همزن از نوع پاروئی ابداع شده و برروي سینی حاوي بستر نصب گردیده است. چرخش محور آن توسط موتور الکتریکی نصب شده برجداره بیرونی بیوراکتور موجب چرخش پاروها و حرکت طولی همزن میشود. برروي همزن یک لوله داراي تعداد معینی سوراخ ریرنصب شده و به همراه همزن بر روي بستر حرکت میکند. آب لازم براي کنترل رطوبت بستر توسط یک پمپ پریستالتیک مستقر در بیرون بیوراکتور تامین شده و از طریق یک شیلنگ به لوله سوراخدار مزبور پمپ گشته و برروي بستر توزیع میگردد.
درنقاط مختلف مسیر جریان هوا و نیز در ورودي و خروجی فرمانتور تعدادي ترموکوپل مستقر شده که دماهاي قرائت شده توسط آنها ازطریق سخت افزار هاي Idam 7018 و Idam 7520 وارد کامپیوتر شده و توسط نرم افزار کنترل کننده فرایند مورد بهره برداري قرارگرفته و همزمان دریک فایل ذخیره میگردند. این نرم افزار که درمحیط labview نوشته شده اختلاف دماي قبل و بعد از گرمکن هاي برقی را با استفاده از یک کنترلر PI ازطریق تنظیم شدت جریان الکتریکی گرمکن ها تنظیم میکند. علاوه بر این با محاسبه افزایش دماي هوا در عبور از بیوراکتور حرارت متابولیکی آزاد شده در بستر را در هرلحظه محاسبه کرده و به کمک آن و با استفاده از یک مدل ریاضی تغییرات وزن ماده خشک و وزن آب در بستر را برآورد مینماید.
مبانی و جزئیات این مدل دریک مقاله دیگر تشریح شده است.[8] این نرم افزار با دردست داشتن وزن ماده خشک و وزن آب داخل بستر درهرلحظه رطوبت بستر و نیز حجم آب لازم براي تنظیم رطوبت بستر در مقدار بهینه را محاسبه کرده و نمایش میدهد. هنگامیکه رطوبت محاسبه شده بستر از یک مقدار حداقل داده شده به نرم افزار کمتر گردد این نرم افزار ابتدا همزن و سپس پمپ پریستالتیک را روشن میکند و مدت زمان روشن بودن پمپ را بگونه اي تنظیم مینماید که مقدار آب لازم براي برگرداندن رطوبت بستر به مقدار بهینه برروي بستر فرستاده شود. پس از خاموش شدن پمپ همزن تامدت معینی روشن مانده و سپس خاموش میشود. سرعت چرخش همزن نیز توسط نرم افزار و از طریق یک درایور قابل تنظیم است.
روش آزمایش: به منظور بررسی کارائی پایلوت کشت آسپرژیلوس نیجر بر سبوس گندم در آن آزمایش گردید. چهارکیلوگرم سبوس گندم با رطوبت ده درصد درسینی تخلیه شده و دولیتر آب ازطریق پمپ پریستالیتک و سیستم همزن با آن مخلوط شده و به مدت یک ساعت به کمک بخار مستقیم در دماي 90 درجه سانتیگراد پاستوریزه و پخته شد. درگام بعدي بستر به کمک جریان هواي استریل خنک شده ویک لیتر آب حاوي 2/8×1010 عدد اسپور آسپرژیلوس نیجرسویه ccug33991 توسط سیستم توزیع آب با بستر مخلوط شده و هوا با رطوبت %95 و دماي 35 درجه سانتیگراد و سرعت حجمی 400 لیتر در دقیقه در بستر جریان یافت. رطوبت اولیه بستر %55 اندازه گیري شد. بستر ابتدا به مدت 4 ساعت همزده شده و سپس همزن خاموش شد. درساعت هفدهم با مشاهده رشد قارچ و افزایش دماي هواي خروجی از فرمانتور دماي جریان هوا به 31 درجه سانتیگراد کاهش داده شده و همزن روشن گردید.
در این آزمایش همزدن به آهستگی تا پایان تخمیر ادامه یافت. درساعات هجدهم، بیست و پنجم، و بیست و هشتم براي تامین آب از دست رفته دراثر تولید حرارت متابولیکی به ترتیب مقادیر 600 ، 1000 و 1000 میلی لیتر آب به کمک سیستم همزن و آب پاش بطوریکنواخت به بستر افزوده شد. در ساعت چهلم جریان هواي سرد و خشک با دبی زیاد در بستر برقرار شده و طی هشت ساعت محتویات بستر تاحصول رطوبت نهائی %4 خشک گردید. درفواصل زمانی مختلف از بستر نمونه گیري شده و رطوبت، فعالیت گلوکوآمیلاز و pH نمونه ها اندازه گیري میگردید. روش هاي اندازه گیري درجاي دیگر تشریح شده است[9]
نتایج
pH محیط کشت طی 25 ساعت اول از 6/5 به 4 کاهش یافته و سپس تا پایان تخمیر به 5/5 افزایش یافت. این روند مشابه روند مشاهده شده در کشت در ارلن می باشد و به همراه کاهش %24 ماده خشک بیانگر رشد مناسب قارچ مورد بحث و شرایط مناسب تخمیر است. فعالیت گلوکوآمیلاز در پایان تخمیر اندازه گیري شد. نتایج نشان داد که به ازاي هر گرم سبوس گندم 380 واحد فعالیت آنزیمی تولید شده است که با نتایج بدست آمده در مقیاس کوچک مطابقت داشته و بیانگر شرایط مناسب تخمیر در فرمانتور است. این امر امکانپذیري تولید محصول در مقیاس صنعتی را نشان میدهد . وزن خشک و وزن آب بستر در پایان تخمیر توسط نرم افزار به ترتیب 2559 و 2452 گرم برآورد گردید که با مقدار اندازه گیري شده یعنی 2722 و 2139 گرم بخوبی متوافق بوده و حاکی از کارائی نرم افزار است.
