بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی تولید بیواتانول از گلوکز با استفاده از ساکارومایسس سرویسیا در بیوراکتورهای غشایی و سنتی پیوسته
چکیده
در این پژوهش به بررسی تولید اتانول از گلوکز بصورت آزمایشگاهی با استفاده از ساکارومایسس سرویسیا در یک راکتور سنتی پیوسته CBR1و یک راکتور پیوسته غشایی MBR2 با غشاء تراوش تبخیری پرداختیم که برای غشاء تراوش تبخیری از غشاء متراکم آبگریز پلی دیمتیل سیلوکزان (PDMS) استفاده شد که باعث افزایش بهره دهی و بازده و غلظت سلول درون راکتور شد. در CBR در فاز رشد ثابت که همه گلوکز مصرف شده مقدار غلظت اتانول و توده سلولی تقریبا ثابت و بترتیب 22,22 و 13,25 گرم بر لیتر شد و مقدار بازده محاسبه شده غلظت توده زیستی بر اساس مصرف سوبسترا Yx/s3 و بازده اتانول تولید شده بر اساس مصرف سوبسترا Yp/s4 در CBR از مقدار 0,32 و 0,54 گرم بر لیتر به 0,41 و 0,59 گرم بر لیتر در MBR افزایش یافت و غلظت توده سلولی و اتانول به ترتیب 15,35 و 20,02 گرم بر لیتر شد.
در این پژوهش می کوشیم تا تولید اتانول در MBR و CBR را با استفاده از اطلاعات تجربی مدل سازی نموده و شرایط را برای تولید آن بهینه سازی کنیم. برای این کار باید از یک مدل عمومی که بتواند بطور خاص تولید بیواتانول را در هر دو بیوراکتور توصیف کند استفاده شود. برای بیان سینتیک رشد از مدل مونود استفاده شد و ضرایب و پارامترهای معادله رشد مونود هم با الگوریتم ژنتیک بدست آمد. نمودارها و ضرایب بدست آمده و رگرسیون بدست آمده بالای 0,99 نشان میدهد که مدل مونود بصورت کاملا منطقی و درست می تواند رفتار بیوراکتور ناپیوسته غشایی و سنتی را توصیف کند.
واژه های کلیدی :
مدلسازی،بیوراکتور غشایی،بیوراکتور سنتی،سینتیک رشد مونود،الگوریتم ژنتیک،بهینه سازی،ساکاروکایسس سرویسیا
-1 مقدمه
با توجه به کاهش منابع سوخت فسیلی، نیاز به منابع انرژی که تجدیدپذیر و دارای قیمت مناسب و فاقد آلودگی باشند احساس می شود(نجف پور و همکاران.(2004 یک راه حل مناسب برای جانشینی سوختهای فسیلی، استفاده از سوخت های زیستی مانند اتانول می باشد(زلدیور و همکاران .(2001 از مزایای استفاده از اتانول می توان به تمیز بودن،تجدید پذیر بودن و عدم تولید گازهای گلخانه ای اشاره کرد(استدیلو و همکاران .( 2011
در شرایطی که آلودگی هوا ، افزایش دمای کره زمین و آینده ترکیبات نفتی مورد توجه جهانیان قرار گرفته اتانول مهم ترین سوخت زیستی است که در برخی از کشورها آن را به عنوان سوخت سبز می شناسند و روی به تولید آن آورده اند(نامورا و همکاران 2002 ،ماچدو وهمکاران .(2009 این الکل به دلیل عدد اکتان بالا می تواند به تنهایی به عنوان سوخت و یا بجای MTBE در بنزین و هم چنین به عنوان حامل اکسیژن در گازوئیل به کار رود و محتوای اکسیژن آن را افزایش دهد، که سبب اکسیداسیون بهتر هیدروکربن ها و کاهش مقدار آلودگی گازهای رها شده به اتمسفر می شود. کاربرد اتانول زیستی در مقیاس وسیع به عنوان یک سوخت در حمل ونقل می تواند میزان انتشار CO2 و هم چنین دیگر آلاینده ها مثل NOx و SOx ناشی از حمل و نقل را کاهش دهد(دینگ و همکاران 2002 ). استفاده از اتانول به عنوان سوخت در جهان از اوایل سال 1900 مطرح شد و موسسه هوای پاک آمریکا ( US Clean Air Act )استفاده از درصد مشخصی از اتانول را به عنوان سوخت تجدید پذیر با بنزین تعیین کرد(ژانگ و همکاران .(2011کشور ما هم به علت داشتن پتانسیل زیاد در تولید بیواتانول می تواند به این تکنولوژی دست یابد(مودب و همکاران .( 1996
اتانول به شکل های متفاوتی در سوخت مورد استفاده قرار می گیرد که عبارت است از مخلوط نمودن اتانول و بنزین با درصدهای مختلف و اکسیژنه نمودن بنزین جهت کنترل کردن مونوکسید کربن(لواندوویچ .( 2011
در چند دهه گذشته، تولید اتانول با استفاده از فرآیند میکروبی مورد توجه قرار گرفته است. میکروارگانیسم های مختلفی چون Clostridium sp و مخمرهای شناخته شده از قبیل Saccharomyces cerevisiae و Zymomonas mobilis کاندیدای مناسبی برای تولید اتانول هستند(دودیج و همکاران .( 2012
در میان میکروارگانیسم های مشخص شده برای تولید اتانول، مخمر Saccharomyces cerevisiae از اهمیت بالایی برخوردار بوده و از لحاظ بی خطر بودن و بازده بالا بسیار حائز اهمیت است و از آن در صنعت تولید نوشیدنی های الکلی نیز استفاده می شود. ساکارومایسس سروزیه مخمری است که می تواند به صورت هوازی و بی هوازی رشد نماید و با توجه به شرایط رشد محصولات متفاوتی تولید می کند. در صورتی که این میکروارگانیسم به صورت بی هوازی کشت داده شود، از تخمیر الکلی برای تولید ATP مورد نیاز برای انجام فرآیندهای متابولیکی استفاده می کند. در طی این فرآیند از یک مول گلوکز، 2 مول کربن دی اکسید و 2 مول اتانول تولید می شود (جین و همکاران .( 2012
استفاده از بیوراکتور سنتی برای تولید اتانول دارای معایبی مانند تولید کم و بازده پایین به علت اثر بازدارنده محصول اتانول تولید شده، نیاز به مراحل خالص سازی اضافی در پایین دست، تراکم سلولی کم در محیط مایع کشت و استفاده ناقص از مواد مغذی می باشد(ریورا و همکاران .(2006 روش های زیادی برای تولید همزمان بیواتانول و جداسازی و خروج آن از محیط وجود دارد که مهمترین آن استفاده از جداسازی غشایی است. فرایند تراوش تبخیری یکی از بهترین ، کارآمدترین و موثرترین روش های مورد استفاده برای جداسازی مخلوط آب و اتانول است چون فرایندی ساده و بدون نیاز به مواد شیمیایی اضافی است(برگ و همکاران .(2004 سیلیکون حاوی پلیمر، به خصوص PDMS ، به طور گسترده به عنوان غشاء آلی انتخابی برای جداسازی مخلوط های آلی - آبی از طریق فرآیند تراوش تبخیری استفاده می شود(رندلمن و همکاران .( 2007 استفاده همزمان از فرایندهای بیولوژیکی و جداسازی های غشایی در یک واحد ، برای فرایندهای تخمیری که نیاز به حذف دائم محصول از محیط دارند، حرکتی کاملا معمول و منطقی بشمار می رود. استفاده از این واحد باعث کاهش معایبی که قبلا مطرح شده بود می شود (نجفی و همکاران .(2009
صرف نظر از روند استفاده شده برای فرآیند تخمیر، تعریف سینتیک و پارامترهای سینتیکی یک فرایند بیولوژیکی قدمی بزرگ برای تبدیل مدل در نظر گرفته شده به مقیاس صنعتی است (برومبرگ و همکاران 2005 ، وهرا و همکاران .( 2014
پس در شرایطی که تولید بیو اتانول پر اهمیت میباشد ، مدل سازی سیستم های تولید کننده آن هم میتواند نقش بسیار مهمی در بهبود عمکرد آن داشته باشد(ریورا و همکاران .(2006
با توجه به مطالب گفته شده ، اولین هدف در این پژوهش افزایش تولید بیواتانول بوسیله تلفیق بیوراکتور سنتی ناپیوسته با یک غشاء تراوش تبخیری است که برای این هدف از غشاء PDMS استفاده شد که باعث افزایش تولید و بازده گردید. هدف دوم توسعه یک مدل عمومی برای بیوراکتورهای ناپیوسته سنتی و غشایی است که مدل بدست آمده برای بیوراکتورهای سنتی از حذف ترم های شار عبوری از غشاء از مدل بیوراکتورهای غشایی بدست می آید. برای هردو نوع بیوراکتور معادلات توصیفی بدست آمده بوسیله یک روش بهینه سازی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک حل شده و پارامترهای سینتیکی آن ها مشخص و بهینه شدند.
-2 متن اصلی مقاله
1-2میکرو ارگانیزم و محیط کشت :
تمامی مواد شیمیایی استفاده شده از کمپانی Merck آلمان تهیه شد. محیط کشت شامل گلوکز، مخمر و NH4Cl با غلظت های به ترتیب 50 و 3و 5 گرم بر لیتر می باشد. محیط کشت در شرایط دمای 121 درجه سانتیگراد و فشار 15 psig بمدت 20 دقیقه قرار گرفت. محیط کشت استریل شده بوسیله %5 حجمی بذر میکروارگانیسم تلقیح شد و به مدت 24 ساعت درون انکیباتور با دمای 30 درجه قرار گرفت.
برای میکروارگانیزم هم از محلول تلقیح خالص ساکارومایسس سرویسیا از مرکز کلکسیون میکروارگانیسم های صنعتی ایران PTCC24860)5 )خریداری شد که توسط سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران (IROST6) تهیه می شود.
2-2 بیوراکتورها :
مجموعه ای از آزمایش ها در CBR و MBR با حجم کار ثابت 1260 میلی لیتر انجام شد. غشاء ) PDMS تهیه شده بوسیله کمپانی Pervatech هلند) با ضخامت موثر 20 میکرومتر بعنوان یک مانع انتخاب پذیر به افزایش تبدیل سوبسترا از طریق خروج مستمر اتانول از بیوراکتور مورد استفاده قرار گرفت (اصفهانیان و همکاران .(2012 اتانول مایع عبوری از غشاء بوسیله تله نیتروژن مایع سرد جمع آوری می شود.آزمایش در دمای ثابت 32 درجه سانتیگراد انجام شد. نمونه هر 2 ساعت از محیط کشت و خروجی غشاء و وزن خشک سلول و گلوکز و غلظت اتانول تولیدی بترتیب توسط دستگاه اسپکتروفتومتر7 ، روش رنگ سنجی با معرف DNS و کروماتوگرافی گازی 8اندازه گیری میشود.
3-2 شرح آزمایش :
در ابتدا محیط کشت آماده شده با غلظت گلوکز 50 گرم بر لیتر در شرایط کاملا استریل توسط پمپ به بیوراکتورها تزریق گردید. بعد از گذشت زمان 14 ساعت از انجام فرآیند به صورت ناپیوسته زمانی که سیستم به فاز ایستا رسید، خوراک دهی با غلظت خوراک 100 گرم بر لیتر آغاز شد. در این هنگام در بیوراکتور غشایی، فرآیند تراوش تبخیری با روشن کردن پمپ خلاء شروع به کار کرد. نمونه گیری در سیستم سنتی فقط از داخل بیوراکتور و در سیستم بیوراکتور غشایی هم از داخل بیوراکتور و هم از تله سرد هر 4 ساعت یکبار انجام گردید. نمونه ها بلافاصله برای تعیین غلظت سلولی و غلظت قند مورد آنالیز قرار میگرفت. به محض اینکه تغییرات غلظتقریباًت به صفر میرسید یا به عبارتی غلظت ها ثابت میشد، این بدان معنی بود که سیستم به حالت پایا رسیده است. پس از رسیدن به شرایط پایا، نرخ خوراک دهی تغییر میکرد و سیستم با شدت رقیق سازی دیگری کار خود را آغاز میکردمجدداً.نمونه گیری از سیستم تا جایی ادامه می یافت که سیستم با شدت رقیق سازی جدید به حالت پایا برسد .آزمایشها در بیوراکتورها در شدت رقیق سازی 0,04 ، 0,09 ، 0,14 و h-1 0,24 بر مبنای حجم مفید کاری 1260ml انجام گرفت و دیتا های مورد نیاز بدست آمد
4-2 مدلسازی :
1-4-2 مدل عمومی سینتیک رشد :
بسیاری از مدل های می توانند قسمتی از رشد سلول های توصیف کنند در حالی که فقط چند مدل می تواند هم مرحله تاخیر، مرحله نمایی و مرحله ثابت را باهم توصیف کنند. در این مطالعه، مدل مونود انتخاب شد که یک مدل مناسب برای پیشبینی منحنی رشد است. نرخ رشد بنا به معادله مونود بصورت زیر است :
که در آن µ سرعت رشد ویژه [h-1] که وابسته به غلظت بیواتانول است، K ثابت لجستیک ، X غلظت ساکارومایسس سرویسیا [g.l-1] و Xm حداکثر غلظت ساکاروز است . [g.l-1 ]
2-4-2 مدل عمومی رشد :
موازنه جرم برای تولید بیواتانول بصورت زیر نوشته میشود :
در اینجا F0 دبی حجمی ورودی [l.h-1] و Fm دبی حجمی خروجی از غشا [l.h-1] و F دبی حجمی خروجی [l.h-1] می باشند.و از تعریف شدت رقیق سازی می دانیم که :
که D شدت رقیق سازی [h-1] می باشد
از ترکیب معادلات 6 و 7 و 8 به معادله کلی سینتیک رشد بر حسب شدت رقیق سازی می رسیم
در نهایت از ترکیب معادلات 1 و 9 به معادله سینتیک رشد بر حسب شدت رقیق سازی با استفاده از سینتیک رشد مونود می رسیم
در نتیجه معادله غلظت سوبسترا بر حسب شدت رقیق سازی بصورت زیر بدست می آید:
با استفاده از تعاریف بازده که در زیر آمده اند به معادلات مربوط به توده زیستی و اتانول بر حسب شدت رقیق سازی می رسیم.
که در اینجا S غلظت گلوکز در بیوراکتور [g.l-1] و rsنرخ مصرف گلوکز و Pm غلظت اتانول در قسمت خروجی از غشاء غلظت اتانول در [gl-1] MBR و rp نرخ تولید اتانول بازده تولید توده سلولی براساس مصرف سوبسترا
بازده تولید بیواتانول براساس مصرف سوبسترا است
با قرار دادن Fm=0 در معادله های 11و13و12 معادلات تشریح کننده رشد ساکارومایسس سرویسیا، مصرف گلوکز و تولید اتانول در MBR تبدیل به معادلات توصیف کننده برای CBR می شوند. در نتیجه داریم :
هر دو مجموعه از معادلات توصیف عملکرد MBR و CBR برای تولید اتانول از معادلاتی تشکیل شده است که بهم وابسته اند و نمی توان آنها را به طور جداگانه حل کرد .بنابراین روشی خاص برای حل آنها مورد نیاز است که در این پژوهش ما از یک روش بهینه سازی مبتنی بر الگوریتم ژنتیک استفاده کردیم.
5-2 پیدا کردن بهترین ضرایب بوسیله الگوریتم ژنتیک :
