دفاعیه

چکیده
در تخمیر حالت جامد چون رشد میکروارگانیسم­ غالبا به سطح سوبسترا محدود می­شود، گرادیان­های غلظت در داخل ذره سوبسترا و بیوفیلم اطراف آن وجود دارد. در نتیجه محدودیت سوبسترا در بیوفیلم یکی از مهمترین چالش­های پیش روی محققان در تخمیر حالت جامد است. همچنین با توجه به نبود آب آزاد در سیستم و کوچک بودن ضریب هدایت حرارتی بستر، گرادیان­های دمایی در سرتاسر بستر بیوراکتور وجود دارد که باعث ناهمگنی رشد در بستر می­شود.
در این تحقیق یک مدل ریاضی شبه مکانیستیک برای سیستم تخمیر حالت جامد ارائه شد، که قادر است همزمان به توصیف پدیده­های انتقال حرارت در داخل یک بیوراکتور بستر آکنده حاوی گلوله­های سوبسترای آگاردار و انتقال جرم در مقیاس بین­ذره­ای بپردازد. یک سینتیک رشد جدید ارائه شد که در آن سرعت رشد ویژه تابعی از دما، غلظت گلوکز و مقدار بیومس در بیوفیلم است. ثوابت این سینتیک جدید و دیگر پارامترهای مدل به­روش تجربی تعیین شدند. مدل با استفاده از داده­های آزمایشگاهی رشد باکتری سودوموناس ائروجینوزا بر گلوله­های آگار حاوی 2 % نشاسته در بیوراکتور کوچک (قطر cm 3 و ارتفاع cm 15) و داده­های آزمایشگاهی رشد و پروفایل دما در یک بیوراکتور بزرگ (قطر cm 6 و ارتفاع cm 30) حاوی گلوله­های آگار با غلظت اولیه gcm-3 03/0 گلوکز اعتبارسنجی شد. مدل ارائه شده بخوبی قادر است رشد باکتری و پروفایل دما را در یک بیوراکتور بستر آکنده توصیف نماید. با شبیه­سازی غلظت آنزیم، نشاسته، گلوکز و اکسیژن در مقیاس میکرو مشخص شد که محدودکنندگی گلوکز و اکسیژن در غلظتهای بالای نشاسته (4%) اهمیتی ندارد و رشد در اثر عاملی مرتبط با افزایش بیومس در بیوفیلم محدود می­شود. همچنین پایین بودن ضریب نفوذ آنزیم­های هیدرولیز کننده نشاسته تاثیری بر رشد ندارد. نتایج شبیه­سازی پروفایل دما در داخل بیوراکتور بسترآکنده نشان داد که گرادیان دمایی در جهت محوری و شعاعی بترتیب 11/0 و °C.cm-1 bed 22/0 می­باشد که البته به سرعت هوادهی، غلظت اولیه منبع کربن و قطر ذرات بستگی دارد. در غلظت بالای منبع کربن (gcm-3 1/0)، گرادیان­های دمایی در ناحیه بالای بستر بیوراکتور افزایش می­یابند و شرایط محدودیت دمایی بعد از 10 ساعت از شروع رشد ایجاد می شود. همچنین در صورتی که قطر ذرات بزرگ باشد (> 1 cm) مقدار بیومس تشکیل شده بر سطح سوبسترا افزایش می­یابد که این امر باعث افزایش اثر بازدارندگی بیومس بر رشد و در نتیجه کاهش رشد و حرارت تولیدی شده و در نتیجه بهینه سازی اندازه ذرات می­تواند بعنوان یک راهکار برای غلبه بر افزایش بیش از حد دما در بستر استفاده گردد. مدل پیشنهادی در این تحقیق تصویری از اثر تجمع بازدارنده­ها در کاهش رشد در تخمیر حالت جامد را ارائه می­دهد و می­تواند به عنوان یک پایه برای مطالعات آینده در این زمینه باشد.
واژه‌های کلیدی: تخمیر حالت جامد، مدل­سازی انتقال جرم و حرارت، بیوراکتور بستر آکنده، سینتیک رشد، گلوله آگار حاوی سوبسترا