طي فرايند نيمه پيوسته به همراه محدوديت منبع نيتروژن اقدام به توليد PHB نمودند .در اين فرايند ميزان جرم سلولي ايجاد شده و بيوپليمر تجمع يافته به ترتيب 164و121 گرم بر ليتر ونرخ بهره دهي توليد PHB در مدت زمان 50 ساعت 42/2 گرم بر ليتر بر ساعت گزارش شده است.همچنين در اين مطالعه ميزان گلوکز توسط فرايند آنزيمي کنترل مي شد که در مقياس وسيع اين امکان وجود نخواهد داشت[53].
در تحقيق ديگري فرايند نيمه پيوسته R.eutropha NCIMB 11559 به همراه محدوديت منبع فسفات توسط ريو و همکاران در سال 1997 انجام شد که غلظت اکسيژن نامحلول به عنوان پارامتر قابل استفاده در تعيين ميزان خوراک دهي گلوکز استفاده شد. غلظت نهائي سلول 281 گرم بر ليتر وغلظت PHB معادل 232 گرم بر ليتر و نرخ بهره دهي توليد محصول 14/3 گرم برليتر بر ساعت بدست آمد[54].
در سال 2004 پت واردان و همکاران اقدام به توليد بيوپليمر توسط R.eutropha در فرايند نيمه پيوسته کردند. در اين مطالعه فرايند بيولوژيکي تحت شرايط محيطي کنترل شده pH و ميزان اکسيژن نامحلول انجام پذيرفت.اطلاعات حاصل شده از فرايند غير پيوسته اوليه منجر به توسعه مدل رياضي گشت که پارامترهاي مورد نياز جهت تعيين ميزان خوراک دهي در فرايند نيمه پيوسته با توجه به محدوديتهاي مورد نياز در مواد غذائي استخراج شدند[22]. همچنين اين افراد در تحقيق ديگري در سال 2008 فرايند نيمه پيوسته اي جهت توليد بيوپليمر انجام دادند که در اين فرايند دو حالت شرايط خوراک دهي ثابت منبع نيتروژن وشرايط خوراک دهي ثابت منبع نيتروژن ومنبع کربن مورد بررسي قرار گرفته است که حالت استفاده از شرايط خوراک دهي ثابت براي منبع نيتروژن وکربن نتايج بهتري داشته است[55] .
در مطالعه اي ديگر خانا وهمکاران در سال 2006 از مدل شبيه سازي شده ديگري جهت انجام فرايند نيمه پيوسته استفاده کردند که در آن از روشهاي خوراک دهي همزمان و غير همزمان دو منبع نيتروزن وکربن بهره بردند.در اين تحقيق نرخ بهره دهي توليد محصول تقريبا 6/2 برابر در حالت غير پيوسته بود[56] .

1-10- مدل سينتيکي رشد ميکروارگانيسم
مد‌ل‌هاي رشد ميکروارگانيسم ها براساس ميزان تشريح جزئيات رفتار سلول و فرآيندهاي درون‌سلولي به دو گروه عمده مدل هاي ساختاري19 و مدل هاي غير ساختاري20 تقسيم شده اند. هر گروه نيز مي توانند حالت تفکيک شده21 و يا تفکيک نشده22 داشته باشند (شکل 1-7). مدل هاي رشد غيرساختاري ساده‌ترين نوع مدل ها براي تشريح پديده رشد سلول مي‌باشند. در اين مدل ها توده سلولي به صورت يک مجموعه واحد و به عبارتي يک جعبه سياه23 در نظر گرفته مي شود. در واقع از فعل و انفعالات و مجموعه پيچيده واكنش‌هاي درون‌سلولي در تشريح رفتار رشد سلول صرف‌نظر مي‌شود. لذا در اين مدل ها رفتار سينتيکي سلول24 صرفا با توجه به مقادير کلي مصرف سوبسترا و توليد متابوليت هاي خارج سلولي بررسي مي شود و در يک ديدگاه ماکروسکوپي25، واکنش هاي داخل سلولي در بررسي رفتارهاي سينتيکي سلول لحاظ نمي شود. مدل‌هاي ساختاري نسبت به مدل هاي غير ساختاري بسيار پيچيده تر و شامل جزئيات بيشتري از فعل و انفعالات و واکنش هاي بيوشيميايي درون ميکروارگانيسم هستند. در اين نوع مدل ها برخلاف مدل هاي غير ساختاري کليه اتفاقات و پديده هاي بيوشيميايي داخل ميکروارگانيسم نيز در بيان رفتار سينتيکي سلول و تعيين معادله سينتيکي آن لحاظ مي شود[57-58].

شکل 1-7- مدل هاي رشد ميکروارگانيسم ها[58]

مدل مونود يکي از متداول ترين مدل هاي رشد غير ساختاري براي بررسي رفتارهاي سينتيکي ميکروارگانيسم ها است. در مدل مونود (جدول 1-5) سينتيك رشد به صورت عبارت شدت رشد ويژه بيان مي‌شود. در اين مدل، µ شدت رشد ويژه ميکرو ارگانيسم (عکس زمان)، µmax بيشينه شدت رشد ويژه (عکس زمان)، S غلظت سوبسترا در محيط کشت (گرم در ليتر) و Ks ثابت اشباع (گرم در ليتر) مي باشد. ثابت اشباع مونود عبارت است از غلظت سوبسترا زماني که شدت رشد ويژه برابر با نصف ميزان بيشينه آن باشد.
براي به دست آوردن ثوابت سينتيکي معادله مونود، کافي است نمودار تغييرات عکس شدت رشد ويژه (1/µ) برحسب عکس غلظت سوبسترا (1/S) رسم شود. در اين نمودار خطي (لين ويوربارک26) شيب خط معرف (Ks/µmax) و عرض از مبدا آن معادل با (µmax 1/) خواهد بود. معادله مونود يکي از رايج ترين معادلات سينتيک رشد به ويژه براي بيان رفتارهاي سينتيکي باکتري ها و مخمرها است در جدول 1-5 تعدادي از متداول ترين مدل هاي غير ساختاري نشان داده شده است.
جدول1-5- تعدادي از متداول ترين مدل‌هاي رشد غير ساختاري[58].
نوع مدل
نام مدل
سال ارائه
معادله سينتيکي مدل
وابسته به غلظت سوبسترا
مونود
1942

وابسته به غلظت سوبسترا
تسير27
1942

وابسته به غلظت سوبسترا
موزر28
1958

وابسته به غلظت توده سلولي
ورهالست29
1838

وابسته به غلظت سوبسترا و توده سلولي
کونتويس30
1959

وابسته به غلظت سوبسترا و توده سلولي
استانيسکيس31
1984

وابسته به غلظت محصول
هينشلوود32
1946

وابسته به غلظت محصول
آيبا33
1968

1-10-1- بررسي سينتيک رشد درفرايند غير پيوسته
مدلسازي فرايندهاي بيولوژيک به عنوان تکنيکي مفيد و ضروري براي بهينه سازي وکنترل اين گونه فرايندها به شمار مي رود. به هر حال ،هر مدلي شامل پارامترهاي سينتکي و بازدهي فرايند مي باشد که جزئيات آن فرايند را به دست مي دهند و به منظور استفاده مدل مذکور جهت پيش بيني
رفتار سيستم، مقادير اين پارامترها بايد تخمين زده شود. در بسياري از مطالعات گسترش معادلات رياضي به عنوان اساسي با هدف کنترل بيوراکتورها مورد توجه قرار گرفته است. به عبارت ديگر، يک مدل با ساختار متابوليک جهت توصيف سينتيک توليد بيوپليمر گزارش شده است. در عمده کارهاي انجام شده ،مدلهاي مونود، لجستيک34، لجستيک تغيير يافته جهت مدلسازي سينتيک رشد در فرايند غير پيوسته به کار گرفته شده اند. مدل لودکينگ پايرت35 ولودکينگ پايرت تغيير يافته36 نيز بر اساس مدلهاي رشد جهت پيش بيني روند تشکيل بيوپليمر و سينتيک مصرف قند مورد استفاده قرار گرفته است.
دانسکار و همکاران طي تحقيقي در سال 2003 روند تشکيل پلي هيدروکسي بوتيرات توسط باکتري Azotobacte
Vinelandii برروي گلوکز را در يک راکتور غير پيوسته بررسي کردند. در اين تحقيق از ميان مدلهاي مختلف غير ساختاري جهت بررسي سينتيک توليد بيوپليمر، مدلهاي مونود ولجستيک براي سينتيک رشد و لودکينگ پايرت و لودکينگ پايرت تغيير يافته جهت تشکيل محصول وسينتيک مصرف گلوکز بهترين برازش را داشتند و همچنين پارمترهاي سينتيکي به دست آمده منطقي بودند[57].
در سال 2005 ليو و همکاران ، مدل سينتيکي وابسته به تغييرات غلظت اوليه سوبسترا نسبت به غلظت اوليه جرم سلولي را در مورد ميکروارگانيسم R. eutropha به کار گرفتند[58] .در مطالعه ديگري وانگ و همکاران در سال 2007 با تغيير مدل سينتيکي ليو و همکارانش روند رشد سلولي در فرايند غير پيوسته را مورد بررسي قرار دادند که در آن تحقيق، بيوپليمر درون سلولي و جزئي از حجم سلولي در نظرگرفته شد. همچنين فرض شده است که ممانعت سوبسترائي بر روي رشد سلولي وجود ندارد[59].
در فرايندهاي نيمه پيوسته اغلب تحقيقات جهت تخمين زدن پارامترهاي سينتيکي بر اساس پارامترهاي بدست آمده در فرايند غير پيوسته و کموستات37 مي باشد در حاليکه بقيه پارامترها ميتواند توسط روابط استوکيومتري يااز طريق کارهاي انجام شده بدست آيد.در هر حال همچنانکه ضرايب و پارامترهاي بازدهي فرايند و سينتيکي بسيار وابسته به ميکروارگانيسم مورد مطالعه ، محيط کشت وهمچنين نوع فرايند بيولوژيکي هستند، تخمين و تقريب مناسبي بين مقادير شبيه سازي شده و مقاديرواقعي به دست نمي دهند.بنابراين تحقيقات سيستماتيکي مورد نياز مي باشد که شبيه سازي مناسب حاصل شود.
مطالعات متعددي در زمينه مطالعات سينتکي و مدلسازي رياضي در فرايندهاي نيمه پيوسته انجام پذيرفته است . مولچانداني و همکاران در سال 1989مدل رياضي جهت شبيه سازي فرايند نيمه پيوسته ارائه دادند. که در آن نشان داده شد که شدت رشد ويژه ميکرو ارگانيسم R. eutropha ATCC 17697 وابسته به ميزان منبع نيتروژن وکربن استفاده شده جهت توليد بيوپليمر مي باشد.بنابراين مدل ارائه شده ميزان ممانعت سوبسترا يا ماده اوليه کشت را در نظر مي گرفت[60].شاه حسيني در سال 2004 مدلي با استفاده از مدل مولچانداني ارائه داد که در فرايند هاي مشابه با همين ميکرو ارگانيسم تخمين بهتري جهت داده هاي سينتيکي ارائه ميداد[61].در تحقيق ديگري در همين سال پت واردان و همکاران براساس داده هاي فرايند غير پيوسته يک مدل رياضي توسعه دادند قابليت کاربردي مدل مذکور براي شبيه سازي استراتژي خوراک دهي براي افزايش توليد بيوپليمر و تجمع آن در سلولها مورد استفاده قرار گرفت[22].کارهاي انجام شده در سالهاي اخير نيز برپايه تحقيقات مذکوربوده است که مدلسازي استراتژي فرايند نيمه پيوسته در ميزان خوراک دهي وتعيين پارامترهاي موثر، بر اساس داده هاي آزمايشگاهي فرايند غير پيوسته بدست مي آيد.

1-11- انتقال اکسيژن طي فرايند بيولوژيکي توليد بيوپليمر
اندازه گيري ضريب انتقال جرم در بيوراکتور به منظور تثبيت بازده هوادهي و تعيين ميزان تاثير متغير هاي فرايند بر روي ميزان اکسيژن غير محلول ضروري مي باشد. روشهاي متفاوتي جهت تعيين ميزان اکسيژن انتقال يافته در بيوراکتور توسعه يافته اند. در اين ميان روشهائي مخصوص اندازه گيري ميزان انتقال اکسيژن مي باشند[62]. هنگام انتخاب روش مناسب مشخص بودن عوامل زير ضروري مي باشد:
1- سيستم هوادهي و هموژناسيوني که استفاده مي شود
2- نوع بيوراکتور و طراحي مکانيکي آن
3- ترکيب محيط کشت فرايند بيولوژيکي
4- اثرات جانبي حضور ميکروارگانيسم

1-11-1- روشهاي اندازه گيري :
1- روش اندازه گيري بدون مصرف بيولوژيکي اکسيژن
در غياب ميکروارگانيسم وقتي که واکنشهاي بيوشيميائي در نظر گرفته نمي شوند در اين حالت داريم:

بعضي از روشهاي اندازه گيري بر اساس معادله فوق مي باشند .
2- روش شيميائي:
جزء اولين روشهاي تاييد شده مي باشد .در حالت کلي اين روشها براي تعيين ضريب انتقال جرم دربيوراکتورهاي داراي توزيع کننده به علت تغيير خواص فيزيکوشيميائي توصيه نمي شود .اين روش مقاديري بالاتر از مقادير واقعي را نشان مي دهد،زيرا سرعت جذب بواسطه واکنشهاي شيميائي سريع در فاز مايع افزايش مي يابد در صورتيکه شرايط آزمايش کنترل نشود.
2-1- روش اکسيداسيون سولفيت سديم
اين روش که بر اساس واکنش شيميائي سولفيت سديم به همراه اکسيژن نامحلول مي باشد که در حضور کاتاليزور ،توليد سولفات مي کند.، در سال 1944 توسط کوپر و همکاران معرفي گشت[63].
دريک محدوده غلظتي سولفيت سديم (بين 04/0 تا N1) براي واکنشهاي بسيار سريع که غلظت اکسيژن ميتواند صفر در نظر گرفته شود، سرعت واکنش بسيار سريع تر از سرعت انتقال اکسيژن مي باشد بنابراين سرعت اکسيد شدن تو
سط سرعت انتقال جرم اکسيژن کنترل مي شود. با تعيين سرعت کل مي توان نرخ انتقال اکسيژن را مشخص نمود.
2- 2- ميزان جذب
اين روش توسط دانکورت و همکاران در سال 1966 بوجود آمد که براساس جذب دي اکسيد کربن در محلول بازي مي باشد.به منظور استفاده از روش مذکور بايد واکنش از درجه اول باشد[63].
3- روشهاي فيزيکي
روشهاي فيزيکي پاسخ الکترود شناساگر اکسيژن به تغييرات غلظت در محيط را در شرايط غير ساکن به کار مي گيرند. اين روشها امروزه بسيارجهت تعيين نرخ انتقال اکسيژن مورد استفاده قرار ميگيرند زيرا اساس آنها بر پايه تعيين غلظت اکسيژن نامحلول طي فرايند جذب يا دفع اکسيژن در محلول مي باشد.
سانچز وهمکاران در سال 2000، پاتلي وهمکاران در سال 2005، کلارک و همکاران وزان وهمکاران در سال 2006 از همين روش جهت تعيين نرخ انتقال اکسيژن در محلول استفاده کرده اند[63-64].

4- مدل ديناميک
در اين تحقيق ،جهت اندازه گيري ضريب انتقال جرم اکسيژن در بيوراکتور ازمدل ديناميک استفاده شده است که اولين بار توسط تاگوچي همکاران در سال 1966 مطرح گرديد[62]. در اين روش ميزان فعاليت تنفسي ميکروارگانيسم هائي بصورت فعال در بيوراکتور در حال رشد هستند، اندازه گيري مي شود.اگر منبع تامين اکسيژن بيوراکتور بسته شود ،غلظت اکسيژن غير محلول با سرعتي معادل مصرف اکسيژن طي فعاليت تنفسي ميکروارگانيسم کاهش خواهد يافت.
اين روش بسيار آسان بوده ودرحين فرايند بيولوژيکي قابل استفاده مي باشد ،زماني که زمان پاسخگوئي الکترود اکسيژن کمتر از زمان لازم براي فرايند هاي انتقال جرم پيشنهاد شده باشد. گارسيا و همکاران در سال 2000 ، باندافيت و همکاران و جلال و همکاران در سال 2006 از اين روش جهت اندازه گيري ضريب انتقال جرم اکسيژن استفاده کرده اند[62-63].

1-12- استفاده پليهيدروکسيآلکانواتها در صنايع
شروع توليد پليهيدروکسيآلکانواتها، توسط دو شرکت به نامهاي Zeneka و Biopol، از اوايل دهه 1960 ميلادي آغاز گرديد. بنا به دلايلي، نظير پايينبودن ميزان بهرهدهي، بالا بودن هزينه استخراج و خلوص پايين بيوپليمر توليدشده، اين دو پروژه نيمهتمام ماند و فعاليت مجدد آنها، يک دهه به تاخير افتاد[30]. توليد تجاري اولين بيوپليمر از خانواده پليهيدروکسيآلکانواتها توسط شرکت ICI 38صورت پذيرفت و پليمر توليدشده، بيوپل39 نامگذاري گرديد[65]. همچنين شرکت Chemi Linz اتريش در سال 1990 در مقياس پايلوت پلي هيدروکسي بوتيرات را توسط باکتري Alcaligenes latus از ساکاروز در حجم 1000 کيلوگرم در هفته توليد کرد[30] يکي از اولين شرکتهايي که در مقياس تجاري اقدام به توليد پليهيدروکسيآلکانواتها نمود، شرکت Metabolix بود که در سال 1992 تاسيس شد. اين شرکت توانايي توليد طيفي از پليهيدروکسيآلکانواتها، با استفاده از گلوکز به عنوان منبع کربن را داراست و بخاطر تلاش در گسترش توليدات زيستي، تاکنون جوايز متعددي از سوي سازمان انرژي آمريکا کسب کرده است. اين شرکت در سال 1998 توانايي توليد کوپليمر پليهيدروکسيبوتيرات- والرات را يافت. يکي از کاربردهاي اين کوپليمر استفاده در پوششهاي ضد آب نظير پوشش سطح کارتهاي اعتباري بود. هزينه اعلام شده از سوي شرکت براي توليد پليهيدروکسيآلکانواتها در سال 2002، کمتر از يک دلار براي هر پوند اعلام شده است[9]. طبق اعلام مقامات تجاري اين کمپاني، ساليانه، تقاضايي معادل 2 ميليون پوند براي اين دسته از پليمرها


دیدگاهتان را بنویسید