Utafiti huu unachunguza jinsi miundo tofauti ya bioreaktori inavyoweza kuwa na ufanisi katika ubadilishaji wa kibayolojia wa CO₂ unaosaidiwa na hidrojeni. Katikati ya utafiti kuna bakteria oksidishaji wa hidrojeni anayeitwa Cupriavidus necator H16. Bakteria huyu, katika hali zinazofaa, anaweza kutumia gesi ya hidrojeni kama chanzo cha nishati, kuingiza CO₂ kama chanzo cha kaboni katika muundo wa seli, na kukua kwa kutumia oksijeni kama kipokezi cha mwisho cha elektroni. Kwa hiyo anaonekana kama jukwaa muhimu la kibayoteknolojia kwa uzalishaji wa kemikali unaotegemea kidogo vyanzo vya kisukuku na kwa kutathmini upya kaboni.

Katika utafiti, mbinu tatu tofauti za bioreaktori zililinganishwa: reaktori ya kawaida ya tanki inayokorogwa (stirred tank reactor, STR), reaktori ya airlift (airlift reactor, ALR) na reaktori ya mtiririko wa Taylor (Taylor flow reactor, TFR). Majaribio yaliendeshwa katika hali kuu mbili. Katika hali ya heterotrofiki, bakteria alitumia fruktosi kama chanzo cha kaboni. Katika hali ya ototrofiki, bakteria alijaribiwa kukuzwa kwa mchanganyiko wa gesi za H₂, CO₂ na O₂. Hivyo watafiti walilinganisha jinsi reaktori hizi zinavyofanya kazi katika ukuaji wa kawaida zaidi wenye kaboni ya kikaboni na katika ubadilishaji wa CO₂ unaotegemea moja kwa moja gesi.

Katika hali za heterotrofiki, TFR ilitoa kwa uwazi uzalishaji wa juu zaidi wa biomasi. Katika TFR, biomasi ilifikia 26,4 gCDW L^-1, wakati STR ilibaki katika 5,2 g L^-1 na ALR katika 2,2 g L^-1. Tofauti hii ilihusishwa na uwezo mkubwa zaidi wa TFR katika uhamishaji wa gesi-kioevu. Katika hali za ototrofiki, ubora uliotarajiwa haukujitokeza kikamilifu. ALR, TFR na STR zilibaki katika masafa yanayofanana; thamani za juu zaidi za biomasi ziliripotiwa kuwa takriban 0,60–0,71 gCDW L^-1. Watafiti walieleza utendaji huu mdogo kwa sababu kama kuundwa kwa biofilm, mkusanyiko wa seli, matatizo ya udhibiti wa joto katika TFR, masharti ya gesi yaliyokuwa salama lakini si bora kibayolojia, na gesi inayorejeshwa ndani ya mzunguko kupunguza nguvu ya gesi mpya.

Mchango muhimu wa utafiti si kwamba ulifanya ulinganisho wa majaribio tu. Utafiti pia ulichambua bioreaktori za ototrofiki kwa modeli ya hisabati na kuonyesha kwamba uwiano kati ya urejeshaji wa gesi, mtiririko wa gesi mpya, muundo wa gesi, upatikanaji wa oksijeni na ubadilishaji wa hidrojeni huathiri kwa nguvu uzalishaji wa biomasi. Kulingana na matokeo ya modeli, mkakati unaorekebisha pamoja muundo wa gesi mpya na kiwango cha mtiririko unaweza kuongeza kinadharia uzalishaji wa biomasi kwa %238 ikilinganishwa na matokeo ya majaribio ya ALR, kuufikisha kwenye 2,3 g L^-1, na unaweza kufikisha ubadilishaji wa H₂ takriban %72. Hata hivyo, matokeo haya ya modeli si uthibitishaji wa majaribio, bali ni utabiri wa msingi wa simuleringar; kwa hiyo yanapaswa kusomwa kwa tahadhari.

Maelezo ya Kina

Tatizo la msingi la utafiti ni nini?

Ili kupunguza utoaji wa kaboni katika viwanda, haitoshi kubadilisha chanzo cha nishati pekee. Katika sekta kama tasnia ya kemikali, atomi ya kaboni yenyewe huingia katika muundo wa bidhaa. Plastiki, viyeyushi, biopolima, kemikali za jukwaa na baadhi ya bidhaa za kibayoteknolojia zina kaboni. Kwa hiyo suala si “kutumia nishati kidogo” tu, bali pia kutumia kaboni iliyorejeshwa au iliyobadilishwa kibayolojia badala ya kaboni ya kisukuku.

Wazo la msingi linalohusu utafiti huu ni hili: CO₂ inaweza kutathminiwa si kama gesi taka inayotolewa angani pekee, bali pia kama chanzo cha kaboni katika uzalishaji wa kibayolojia. Hata hivyo, ili CO₂ itumiwe na seli, nishati inahitajika. Hidrojeni huingia hapa kama chanzo cha nishati na mtoaji wa elektroni. Bakteria wanaooksidisha hidrojeni kama Cupriavidus necator wanaweza kupata nishati kutoka H₂ na kubadilisha CO₂ kuwa nyenzo ya seli. Ikijumuishwa na hidrojeni jadidifu, njia hii inaweza kutoa kinadharia mchakato wa kibayolojia unaotegemea kidogo malighafi ya kisukuku.

Lakini tatizo linaanza hapa: mumunyiko wa gesi kama H₂ na O₂ katika maji ni mdogo. Ili bakteria wakue, gesi hizi lazima zipite kwenda kwenye mazingira ya kioevu ya utamaduni. Hata kama kiputo cha gesi kimeingizwa kwenye reaktori, seli haitumii moja kwa moja molekuli iliyo kwenye awamu ya gesi; gesi lazima kwanza iyeyuke katika awamu ya kioevu na kisha ifikie seli. Ikiwa mpito huu si wa haraka vya kutosha, seli inaweza kuwa na njaa ingawa inaonekana kuna gesi katika mazingira. Tatizo kuu la utafiti ni kikwazo hiki cha uhamishaji wa gesi-kioevu.

Tatizo lingine la msingi ni usalama. Katika ukuaji wa ototrofiki, Cupriavidus necator hufanya kazi kwa mchanganyiko wa H₂, CO₂ na O₂. Kuongeza oksijeni kunaweza kurahisisha ukuaji wa seli; lakini mchanganyiko wa H₂/O₂ unaweza kuwa wa kuwaka na kulipuka katika uwiano fulani. Kwa hiyo watafiti hawakulazimika kuzingatia “ukuaji bora zaidi wa kibayolojia” pekee, bali pia ukuaji chini ya muundo salama wa gesi. Hali hii hufanya usanifu wa bioprocess kuwa mgumu zaidi.

Kwa nini tatizo hili ni muhimu?

Ubadilishaji wa CO₂ wa kibayolojia ni mada inayokutana katika nyanja za mabadiliko ya tabianchi, mzunguko wa kaboni, uzalishaji wa kemikali na bayoteknolojia. Ikiwa mtazamo huu utaendelezwa kwa mafanikio, inaweza kuwezekana kuzalisha biomasi, protini ya seli moja, biopolima, mafuta au viambato vya kemikali vya thamani kutoka CO₂. Hata hivyo, wazo la kibayolojia linaloonekana kuwa na matumaini katika kiwango cha maabara linaweza kushindwa kufikia utendaji unaotarajiwa katika kiwango cha reaktori kwa sababu ya matatizo ya kihandisi kama uhamishaji wa gesi, udhibiti wa joto, kutengeneza povu, kuundwa kwa biofilm na ulishaji salama wa gesi.

Utafiti huu ni wa thamani kwa sababu hauangalii tu uwezo wa kimetaboliki wa bakteria, bali unajikita katika swali la “Bakteria huyu anaweza kukua kweli katika reaktori gani na chini ya hali gani za uhamishaji wa gesi?” Bakteria anaweza kubadilisha CO₂ kuwa biomasi; lakini ikiwa reaktori haiwezi kuhamisha gesi kwenda kwenye kioevu kwa kiwango cha kutosha, mchakato hubaki dhaifu kiviwanda. Kinyume chake pia kinawezekana: reaktori inaweza kuwa na nguvu sana upande wa uhamishaji wa gesi; lakini ikiwa udhibiti wa joto unaharibika, biofilm inaziba matundu au oksijeni inawekwa chini kwa sababu ya usalama, matokeo ya kibayolojia yanayotarajiwa hayawezi kupatikana.

Kwa mfano wa kila siku, hali hii ni kama kuwa na mapishi mazuri jikoni lakini jiko halitoi joto kwa usahihi. Viungo ni sahihi, mapishi ni sahihi, hata mpishi anaweza kuwa mzuri; lakini ikiwa joto, kuchanganya na muda si sahihi, chakula hakifikii umbo linalotarajiwa. Katika utafiti huu pia, uhusiano kati ya bakteria, gesi na reaktori unachukuliwa kama mfumo mzima wa aina hii.

Pengo linalojibiwa na utafiti

Katika ubadilishaji wa CO₂ unaosaidiwa na H₂, tafiti nyingi hujikita katika metaboli ya mikroorganismi, wigo wa bidhaa au muundo wa gesi. Lakini kulinganisha miundo tofauti ya reaktori zilizoboreshwa chini ya mfumo uleule wa kibayolojia ni jambo lililo na mipaka. Katika utafiti huu, reaktori ya airlift na reaktori ya mtiririko wa Taylor zilitathminiwa dhidi ya reaktori ya kawaida ya tanki inayokorogwa.

STR ni mfumo wa kawaida unaotumiwa sana katika bayoteknolojia. Hukoroga kioevu kwa vikaukaji vya kimekanika na kusaidia kutawanya viputo vya gesi. ALR hufanya kazi kwa mzunguko unaoundwa na mtiririko wa gesi badala ya kikaukaji cha kimekanika; ina faida ya nguvu ndogo za kukata na usanifu rahisi zaidi. TFR huunda mtiririko wa gesi-kioevu uliogawanywa, unaoitwa mtiririko wa Taylor, ndani ya njia kapilari. Katika mtiririko huu, viputo vya gesi na plugs za kioevu husonga kwa mpangilio mfululizo; hivyo eneo la mgusano wa gesi-kioevu huongezeka na umbali wa diffusion hupungua.

Pengo ambalo utafiti unatafuta kujibu ni hili: Je, mifumo ya ALR na TFR iliyoboreshwa upande wa uhamishaji wa gesi inatoa kweli utendaji bora zaidi wa kibayolojia kuliko STR ya kawaida katika ubadilishaji wa CO₂ unaosaidiwa na H₂? Jibu la utafiti lina sehemu mbili. Katika ukuaji wa heterotrofiki wenye fruktosi, TFR ilionyesha ubora mkubwa sana. Lakini katika ukuaji wa ototrofiki wa moja kwa moja kwa H₂/CO₂/O₂, ubora huo haukuonekana kikamilifu. Matokeo haya yanaonyesha kwamba kuangalia kLa pekee katika usanifu wa reaktori hakutoshi.

Mikroorganismi iliyotumiwa katika utafiti: Cupriavidus necator

Cupriavidus necator H16 ni bakteria anayeoksidisha hidrojeni na anayeweza kuzoea njia tofauti za lishe. Katika hali za heterotrofiki anaweza kutumia vyanzo vya kaboni vya kikaboni, kwa mfano fruktosi. Katika hali za ototrofiki anaweza kutumia H₂ kama chanzo cha nishati na elektroni, CO₂ kama chanzo cha kaboni, na O₂ kama kipokezi cha mwisho cha elektroni.

Sifa muhimu ya bakteria huyu ni uwezo wa kukusanya polyhydroxybutyrate, yaani PHB. PHB inaweza kutathminiwa kama polyester yenye msingi wa kibaolojia na inayoweza kuoza kibayolojia. Katika utafiti, PHB pia ilipimwa; hasa katika TFR chini ya hali za heterotrofiki, ukusanyaji wa PHB ulionekana pamoja na ukomo wa amonia na milipuko ya ulishaji. Hii inaonyesha kwamba bakteria haongezeki tu, bali pia anaweza kuelekeza kaboni kwenda kwenye polima ya hifadhi kulingana na usawa wa virutubisho.

Tofauti kati ya hali ya heterotrofiki na ototrofiki

Katika utafiti kuna namna mbili tofauti za kazi ya kibayolojia. Katika hali ya heterotrofiki bakteria hutumia fruktosi. Katika hali hii, chanzo cha kaboni kiko kimeyeyushwa katika mazingira ya kioevu, na kufika kwa bakteria ni rahisi zaidi kuliko CO₂ iliyo katika gesi. Oksijeni bado ni muhimu; kwa sababu inahitajika kwa upumuaji wa seli. Kwa hiyo katika majaribio ya heterotrofiki, ilifuatiliwa kama kipengele kikuu kinachoweza kuweka kikomo ni uhamishaji wa oksijeni.

Katika hali ya ototrofiki hali ni ngumu zaidi. Bakteria huchukua kaboni kutoka CO₂, nishati kutoka H₂, na pia huhitaji O₂. Gesi zote hizi tatu lazima ziingizwe kwenye reaktori kwa uwiano sahihi, ziyeyushwe kwenye kioevu na zifikiwe na seli. Zaidi ya hayo, kwa sababu ya usalama wa H₂/O₂, uwiano wa oksijeni unaweza kulazimika kuwekwa chini ya kiwango ambacho kingekuwa bora kibayolojia. Kwa hiyo ukuaji wa ototrofiki huwa tatizo nyeti zaidi la kihandisi kuliko ukuaji wa heterotrofiki.

Kwa nini uhamishaji wa gesi-kioevu na kLa viko katikati ya utafiti?

kLa inayotajwa mara nyingi katika utafiti ni mgawo wa uhamishaji wa gesi-kioevu kwa ujazo. Kwa urahisi, inawakilisha jinsi sehemu ya gesi inavyoweza kuhamishwa haraka kwenda kwenye kioevu. Kadiri kLa ilivyo kubwa, ndivyo reaktori inavyoweza kuhamisha gesi kwa ufanisi zaidi kwenye mazingira ya kioevu. Lakini kama utafiti unavyoonyesha, kLa pekee haielezi kila kitu; kwa sababu katika hali halisi za kibayolojia, biofilm, joto, muundo wa gesi na kiwango cha urejeshaji pia huamua utendaji.

Ili kueleza mantiki ya utafiti, uhusiano wa msingi wa uhamishaji wa gesi unaweza kueleweka hivi:

\[
r_{O_2}=K_La\left(M_{O_2}^{sat}-M_{O_2}\right)
\]

Fomula hii inaweza kutumika kuelewa sehemu ya uhamishaji wa wingi inayolingana na sehemu ya kwanza ya mlinganyo wa usawa wa oksijeni katika utafiti. Hapa r_O₂ ni kiwango cha uhamishaji wa oksijeni kwenda awamu ya kioevu; K_La ni mgawo wa uhamishaji wa oksijeni kwa ujazo; M_O₂^sat ni mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa wa kushiba unaoweza kufikiwa chini ya hali zilizopo za gesi; na M_O₂ ni mkusanyiko wa sasa wa oksijeni iliyoyeyushwa. Kadiri tofauti ndani ya mabano inavyokuwa kubwa, ndivyo msukumo wa oksijeni kuingia kwenye kioevu unavyoongezeka.

Kwa mfano wa kila siku, uhusiano huu unaweza kufananishwa na kujaza glasi tupu kwa maji. Glasi ikiwa tupu zaidi, tofauti ya kujaza huwa kubwa zaidi. Lakini mtiririko wa bomba pia ni muhimu. kLa katika mfano huu inaweza kufananishwa na jinsi bomba linavyotoa maji kwa ufanisi. Lakini ikiwa bomba limeziba, glasi imeinamishwa au maji ni ya moto sana, kuangalia tu mtiririko wa bomba hakutoshi. Hii ndiyo sababu ni muhimu kwamba, katika utafiti, TFR ya ototrofiki haikufikia biomasi iliyotarajiwa licha ya kuwa na kLa kubwa.

Mpangilio wa majaribio: STR, ALR na TFR zinatofautianaje?

STR iliyotumiwa katika utafiti ni bioreaktori ya Labfors 5 yenye ujazo wa kazi wa 1 L. Joto, oksijeni iliyoyeyushwa na pH vilifuatiliwa kwa vihisi; udhibiti wa pH ulifanywa kwa 5 M NaOH. Ukorogaji ulihakikishwa kwa Rushton impeller tatu zenye mabawa sita. Kasi ya ukorogaji ilitumika kwa mkakati wa udhibiti wa hatua unaotegemea oksijeni iliyoyeyushwa, kutoka 300 rpm hadi kiwango cha juu cha 1100 rpm.

ALR ni reaktori ya airlift ya mzunguko wa ndani yenye mpangilio wa konsentriki. Ina ujazo wa kazi wa 2,1 L. Katika reaktori kuna sehemu ya riser ya kioo yenye urefu wa 470 mm na sehemu ya downcomer kati yake na koloni ya nje. Gesi ilitolewa kupitia kisambazaji cha chuma cha pua chenye matundu madogo kilichoko chini ya riser. Kisambazaji hiki kina ukubwa wa nominali wa tundu wa 0,5 µm. Lengo lilikuwa kuunda viputo vidogo ili gesi isambae kwa usawa zaidi kwenye kioevu.

TFR ni mfumo mkubwa zaidi ulio na njia 207 za kapilari ndani ya koloni la chuma cha pua lenye urefu wa 1600 mm. Kipenyo cha ndani cha kapilari ni 3 mm, kipenyo cha nje 6 mm, na ujazo wa kazi ni 19 L. Gesi iliingizwa kutoka chini, na kabla ya kuingia kwenye kapilari, usambazaji wa gesi ulilenga kuwa sawa zaidi kwa kutumia pete za K1 Kaldnes. Urejeshaji wa kioevu ulihakikishwa kwa pampu ya centrifugal. Katika mantiki ya mtiririko wa Taylor, viputo vya gesi na sehemu za kioevu husonga kwa mpangilio ndani ya kapilari. Muundo huu ni muhimu hasa katika mifumo inayofanya kazi na gesi zenye mumunyiko mdogo kwa sababu huimarisha mgusano wa gesi-kioevu.

Kielelezo 1 kinaeleza nini?

Mchoro wa mpangilio wa majaribio katika utafiti unaonyesha pamoja njia za ukuaji wa heterotrofiki na ototrofiki. Mistari myekundu inawakilisha ulishaji wa hewa mpya uliotumiwa katika majaribio ya heterotrofiki, mistari ya kijani inawakilisha mfumo wa ulishaji wa H₂, CO₂ na hewa uliotumiwa katika majaribio ya ototrofiki, na mistari myeusi inawakilisha kituo cha reaktori kinachotumiwa na mifumo yote miwili. Katika kituo cha reaktori, TFR, ALR na STR zinaonyeshwa pamoja; katika TFR pia kuna mzunguko wa kurejesha kioevu.

Mchoro huu ni muhimu kwa sababu unaonyesha kwamba utafiti si jaribio la “kukuza bakteria katika vyombo vitatu tofauti” tu. Vyanzo vya gesi, vidhibiti vya mtiririko wa wingi, sehemu za kuchukua sampuli za gesi, compressor ya kurejesha gesi, pampu ya kioevu na kituo cha reaktori vinapaswa kufikiriwa pamoja. Hasa katika hali ya ototrofiki, kufuatilia muundo wa gesi kwenye ingizo na tokeo ni muhimu kwa kupima usawazishaji kati ya usalama wa H₂ na O₂ na ukuaji wa kibayolojia.

Matokeo ya ukuaji wa heterotrofiki: kwa nini TFR ilijitokeza?

Katika majaribio ya heterotrofiki, fruktosi ilitumika kama chanzo cha kaboni na ukuaji wa Cupriavidus necator ulifuatiliwa katika kila reaktori. Katika jaribio la STR, ukorogaji wa 800 rpm na mtiririko wa hewa wa 1,8 L dk^-1 ulitumika. Chini ya hali hii, kLa ya abiotiki ilitolewa kama 385 h^-1. Baada ya awamu ya kuchelewa ya takriban 20 saa, ukuaji wa eksponensheli wa karibu 30 saa ulionekana, na kasi mahususi ya ukuaji ilifikia kiwango cha 0,17 h^-1. Baada ya takriban 50 saa, oksijeni iliyoyeyushwa ilishuka karibu sifuri na ongezeko la biomasi likasimama kwa sababu ya ukomo wa oksijeni. Mkusanyiko wa juu zaidi wa seli uliripotiwa kuwa 5,2 g L^-1.

Katika jaribio la ALR, mtiririko wa hewa ulikuwa 2 L dk^-1, na kLa ya abiotiki ilitolewa kama 336 h^-1. Profaili ya ukuaji ilionyesha awamu ya kuchelewa inayofanana na STR, awamu ya eksponensheli ilianza baada ya takriban 20 saa na kasi mahususi ya ukuaji ilikuwa 0,16 h^-1. Hata hivyo, mkusanyiko wa juu zaidi wa seli ulikaa katika kiwango cha 2,2 g L^-1 tu. Watafiti walieleza kwamba thamani hii ndogo inaweza kuhusiana angalau kwa sehemu na kutopimwa vizuri kwa biomasi kutokana na mkusanyiko wa seli na kuundwa kwa biofilm. Muundo wa ALR wenye nguvu ndogo za kukata unaweza kuwa umerahisisha seli kushikamana na ukuta wa reaktori na kujikusanya.

TFR ilitoa matokeo yenye nguvu zaidi katika hali ya heterotrofiki. Mtiririko wa hewa ulikuwa 40 L dk^-1, kasi ya kurejesha kioevu 35 L dk^-1 na kLa ya abiotiki 1300 h^-1. Katika mfumo huu, viputo virefu vya mtindo wa mtiririko wa Taylor vilionekana kando ya mirija kapilari. Ukuaji wa eksponensheli ulianza baada ya takriban 30 saa na kasi mahususi ya ukuaji iliripotiwa kuwa 0,16 h^-1. TFR ilifikia biomasi ya juu zaidi ya 26,4 g L^-1 bila kuonyesha ukomo wa oksijeni wakati wote wa jaribio.

Matokeo haya ni muhimu sana. Kwa sababu kasi za mwanzo za ukuaji katika STR, ALR na TFR zinafanana; tofauti kuu hutokea katika uwezo wa mwisho wa biomasi. Kwa kuwa TFR iliweza kuhamisha oksijeni vizuri zaidi, ilizuia ukuaji kusimama mapema kwa ukosefu wa oksijeni hata wakati msongamano wa seli ulipoongezeka. Katika mtiririko wa Taylor, uhamishaji hutokea kutoka ncha za nusu duara za viputo vya gesi kwenda kwenye plugs za kioevu na kutoka uso wa silinda wa kiputo kwenda kwenye filamu nyembamba ya kioevu. Njia hizi mbili huongeza eneo la mgusano na kufupisha umbali wa diffusion. Hivyo uhamishaji wa oksijeni huimarika.

Kielelezo 2 kinaeleza nini?

Grafu za ukuaji wa heterotrofiki zinaonyesha jinsi mkusanyiko wa seli, mkusanyiko wa fruktosi na mkusanyiko wa ammonium sulfate vinavyobadilika kwa muda katika STR, ALR na TFR. Katika STR na ALR, mkusanyiko wa seli huongezeka hadi kiwango fulani, kisha ongezeko husimama pamoja na ukomo wa oksijeni na hali ya virutubisho. Katika grafu ya TFR, uzalishaji wa biomasi wa muda mrefu zaidi na wa juu zaidi unaonekana. Zaidi ya hayo, matukio ya kuongeza virutubisho na nyakati za kipimo cha PHB zimeainishwa kwenye grafu.

Katika TFR, ukomo wa kwanza wa ammonium ulionekana karibu saa 40, na baada yake tabia ya kimetaboliki inayobadilika kati ya ukuaji wa biomasi na ukusanyaji wa PHB ilijitokeza. Maudhui ya juu zaidi ya PHB yaliripotiwa kuwa %47,8, na maudhui ya mwisho ya PHB kuwa %37,4. Hii inaonyesha kwamba wakati wa ukomo wa nitrojeni, seli inaweza kuelekeza kaboni kwenye polima ya hifadhi badala ya ukuaji.

Kielelezo 3 kinaeleza nini?

Kielelezo cha reaktori ya airlift kinaonyesha kwamba kuundwa kwa biofilm katika mfumo wa majaribio si tatizo la kinadharia tu, bali lilionekana kimwili kwenye nyuso za reaktori. Kielelezo kina mwonekano wa upande wa ALR na mwonekano wa juu baada ya kultivation. Katika mwonekano wa juu, kuundwa kwa biofilm kwenye ukuta wa reaktori pamoja na sehemu za downcomer na riser zimeonyeshwa.

Kielelezo hiki ni muhimu sana katika tafsiri ya utafiti. Kwa sababu si sahihi kusoma matokeo madogo ya biomasi ya ALR kama “reaktori hii ni dhaifu” tu. Biofilm inapoundwa, sehemu ya seli haizunguki huru katika awamu ya kioevu; hushikamana na ukuta au miundo ya ndani. Hali hii huharibu kipimo na pia inaweza kubadilisha ukubwa wa viputo na uhamishaji wa gesi kwa kuziba nyuso za kisambazaji gesi. Katika hali ya ototrofiki, kuundwa kwa biofilm juu ya sparger kulitumiwa kujadili athari inayoweza kupunguza kLa kwa kuziba sehemu ya matundu.

Kwa nini ubora uliotarajiwa haukutokea katika majaribio ya ototrofiki?

Katika majaribio ya ototrofiki, lengo lilikuwa kuona kama ALR na TFR zinaweza kutoa faida kuliko STR katika ubadilishaji wa CO₂ unaofanya kazi na gesi zenye mumunyiko mdogo. Ulishaji wa gesi mpya uliandaliwa kwa CO₂, H₂ ya elektrolitiki na hewa iliyochujwa. Muundo wa gesi uliwekwa kwa uwiano wa 10%:65%:5%:20% wa CO₂:H₂:O₂:N₂ na mtiririko wa jumla wa 140 NmL dk^-1. Kultivation zote za ototrofiki ziliendeshwa katika 30 °C na pH 7,0. ALR na TFR zilitumia urejeshaji wa gesi; ALR ilitumia 5 L dk^-1, na TFR 10 L dk^-1 kama kasi ya urejeshaji wa gesi.

Katika jaribio la ALR la ototrofiki, kLa ya abiotiki ilitolewa kama 519 h^-1. Hata hivyo, biomasi ya juu zaidi ilikuwa 0,68 gCDW L^-1 tu. Kasi mahususi ya ukuaji katika awamu ya eksponensheli ilikuwa katika kiwango cha 0,01 h^-1. Biofilm na agglomeration ya seli zilionekana tena kama matatizo muhimu. Hasa kuundwa kwa biofilm juu ya uso wa kisambazaji gesi kunaweza kuwa kumegeuza ukubwa wa viputo na kupunguza uhamishaji wa gesi-kioevu.

Katika jaribio la TFR la ototrofiki, kLa ya abiotiki ilitolewa kama 536 h^-1 na biomasi ya juu zaidi iliripotiwa kuwa 0,71 gCDW L^-1. Thamani hii iko karibu na STR na ALR. Hata hivyo, kwa sababu ya uhamishaji bora zaidi wa gesi-kioevu wa TFR, biomasi ya juu zaidi ilitarajiwa. Watafiti walitathmini udhibiti wa joto hapa kama kizuizi muhimu. Kwa sababu ya nishati inayoingizwa na pampu ya kurejesha kioevu, hasa katika siku za joto, kilele cha muda cha joto katika masafa ya 33–40 °C kilitokea. Cupriavidus necator kwa kawaida hukuzwa karibu 30 °C; ilielezwa kuwa joto juu ya 40 °C linaweza kuharibu ukuaji kwa kiasi kikubwa. Kwa sababu ukuaji wa ototrofiki tayari umewekewa kikomo na uhamishaji wa gesi, kuongezeka kwa joto kulizidisha tatizo kwa kupunguza pia mumunyiko wa gesi.

Kultivation ya udhibiti ya STR, ikiwa na kLa ya abiotiki ya 236 h^-1, ilifikia biomasi ya mwisho ya 0,6 gCDW L^-1. Thamani hii iko katika ukubwa uleule na ALR na TFR zilizo na kLa kubwa zaidi. Hili ni mojawapo ya ujumbe mkuu wa utafiti: uwezo wa uhamishaji wa gesi-kioevu ulioboreshwa peke yake haukutoa dhamana ya ubora katika ukuaji wa ototrofiki. Vikwazo vingine kama biofilm, joto, muundo salama wa gesi na kiwango cha urejeshaji vilificha faida hiyo.

Kielelezo 4 kinaeleza nini?

Grafu ya ukuaji wa ototrofiki inalinganisha mikusanyiko ya biomasi ya STR, ALR na TFR kwa muda. Pia data ya ATFR mseto iliyoripotiwa hapo awali imeongezwa kama rejea. STR hufikia mapema takriban 0,6 g L^-1 na kubaki hapo. ALR huongezeka polepole zaidi, hufika baadaye kwenye kiwango cha takriban 0,68 g L^-1 na kisha kuonyesha kushuka. TFR hufikia kwa muda kiwango cha takriban 0,71 g L^-1, lakini haiwezi kupanda hadi biomasi kubwa iliyotarajiwa.

Katika grafu inaonekana kwamba ATFR inafikia takriban 0,95 gCDW L^-1. Hata thamani hii iko chini sana ya matarajio ya ukuaji wa ototrofiki wenye msongamano mkubwa wa seli. Utafiti unajadili kwamba uwiano kati ya urejeshaji wa gesi na ulishaji wa gesi mpya unaweza kuwa na athari hapa. Yaani kuzungusha gesi nyingi kunaweza kuwa muhimu kwa hidrodinamiki na kLa; lakini ikiwa mtiririko wa gesi mpya unabaki mdogo sana, gesi inayorejea hupunguza nguvu ya gesi mpya na kupunguza shinikizo sehemu linalohitajika kwa oksijeni kuingia kwenye kioevu.

Usawazishaji wa muundo wa gesi na usalama

Mchanganyiko wa gesi uliotumiwa katika utafiti, ukihesabiwa upya kwa msingi usio na nitrojeni, unalingana na muundo wa 12,5%:81,3%:6,2% wa CO₂:H₂:O₂. Katika fasihi, mojawapo ya miundo inayotumiwa mara nyingi na inayofaa zaidi kwa kultivation ya ototrofiki ya Cupriavidus necator hutolewa kama 10% CO₂, 70% H₂ na 20% O₂. Lakini uwiano huu unaweza kuvuka kikomo cha chini cha mlipuko kwa mchanganyiko wa H₂/O₂. Kwa hiyo watafiti walishusha oksijeni kwa sababu za usalama.

Hali hii huunda mkanganyiko nyeti sana katika usanifu wa bioprocess. Bakteria anaweza kukua vizuri zaidi kwa oksijeni zaidi; lakini oksijeni zaidi huongeza hatari ya usalama katika mfumo ulio na hidrojeni. Kwa hiyo lazima kuwe na usawazishaji kati ya ulishaji wa gesi ulio salama na wenye ufanisi kibayolojia. Sehemu ya modeli ya utafiti huchunguza usawazishaji huu kwa njia ya mfumo zaidi.

Modeli ya hisabati: oksijeni inaathiri vipi ukuaji?

Katika ukuaji wa ototrofiki, upungufu na wingi kupita kiasi wa oksijeni vyote vinaweza kuwa tatizo. Katika utafiti, ilielezwa kwamba ukomo wa oksijeni huripotiwa chini ya takriban 1,1 mgO₂ L^-1, ilhali athari za kuzuia hutajwa juu ya 11,3 mgO₂ L^-1. Zaidi ya hayo, kwa sababu kasi ndogo zaidi za ukuaji mahususi zimeripotiwa kati ya 4–7 mgO₂ L^-1, na kasi kubwa zaidi kati ya 2–3 mgO₂ L^-1, modeli ya Haldane-Andrews ilichaguliwa kufafanua athari inayotegemea mkusanyiko wa oksijeni.

Mlinganyo wa kasi mahususi ya ukuaji uliotolewa katika utafiti ni huu:

\[
\mu = \mu_{max}\frac{M_{O_2}}{K_{O_2}+M_{O_2}+\frac{M_{O_2}^{2}}{K_I}}
\]

Hapa \(\mu\) ni kasi mahususi ya ukuaji na inaonyesha jinsi seli zinavyoongezeka haraka kwa kitengo cha muda. \(\mu_{max}\) ni kasi mahususi ya juu zaidi ya ukuaji inayoweza kufikiwa. \(M_{O_2}\) ni mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa. \(K_{O_2}\) ni sabiti ya kushiba kwa oksijeni; inawakilisha athari ya kuweka kikomo ya oksijeni juu ya ukuaji. \(K_I\) ni sabiti ya kuzuia ya oksijeni; inaonyesha athari ambapo oksijeni nyingi huanza kukandamiza ukuaji.

Maana ya fomula hii ni hii: oksijeni ikiwa chini sana, ukuaji hupungua kwa sababu seli hazipati oksijeni ya kutosha kwa upumuaji. Oksijeni ikiwa katika masafa yanayofaa, ukuaji huharakisha. Lakini oksijeni ikiongezeka sana, neno \(M_{O_2}^{2}/K_I\) katika denominator hukua na kasi ya ukuaji hushuka tena. Yaani mantiki ya “kadiri inavyokuwa nyingi, ndivyo ilivyo bora” haitumiki kwa oksijeni; masafa salama na yanayofaa kibayolojia yanahitajika.

Milanyo ya usawa wa biomasi na oksijeni iliyoyeyushwa kwa STR

Kwa reaktori ya tanki inayokorogwa, ukuaji wa biomasi ulielezwa kwa usawa huu wa wingi:

\[
\frac{dx}{dt}=\mu x-k_d x
\]

Hapa \(x\) ni mkusanyiko wa seli na kitengo chake kinatolewa kama g L^-1. \(\mu\) ni kasi mahususi ya ukuaji. \(k_d\) ni mgawo unaoonekana wa uharibifu wa biomasi. Mlinganyo unaeleza kwamba biomasi huongezeka kwa ukuaji upande mmoja na hupungua kwa athari za matengenezo/uharibifu upande mwingine. Neno \(\mu x\) linawakilisha kuzaliana kwa seli, na neno \(k_d x\) linawakilisha upotevu wa biomasi.

Usawa wa oksijeni iliyoyeyushwa ulitolewa hivi:

\[
\frac{dM_{O_2}}{dt}=K_La\left(M_{O_2}^{sat}-M_{O_2}\right)-\left(\frac{\mu}{Y_{x/O_2}}+m_{O_2}\right)x
\]

Hapa \(M_{O_2}\) ni mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa. \(K_La\) ni mgawo wa uhamishaji wa oksijeni kwa ujazo. \(M_{O_2}^{sat}\) ni mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa katika kushiba. \(Y_{x/O_2}\) ni mavuno ya biomasi kwa oksijeni; inaonyesha kiasi cha uzito kavu wa seli kinachozalishwa kwa oksijeni inayotumiwa. \(m_{O_2}\) ni mgawo mahususi wa matengenezo ya oksijeni ambao seli hutumia nje ya ukuaji ili kuendelea kuishi.

Upande wa kushoto wa mlinganyo huu ni mabadiliko ya mkusanyiko wa oksijeni kwa muda. Sehemu ya kwanza ya upande wa kulia inaonyesha kuingia kwa oksijeni kutoka gesi kwenda kioevu, na sehemu ya pili inaonyesha matumizi yake na seli. Kwa hiyo kiwango cha oksijeni ni matokeo ya ushindani kati ya uwezo wa reaktori kuhamisha oksijeni na matumizi ya oksijeni na seli.

Modeli kwa mifumo yenye urejeshaji wa gesi

Katika mifumo yenye urejeshaji wa gesi kama ALR, si oksijeni katika awamu ya kioevu tu inayobadilika kwa muda; uwiano wa H₂ na CO₂ katika awamu ya gesi pia hubadilika. Katika utafiti, mlinganyo tofauti kwa sehemu ya moli ya hidrojeni katika awamu ya gesi ulitolewa hivi:

\[
\frac{dy_{H_2,out}}{dt}=\left(n_{in}y_{H_2,in}-n_{out}y_{H_2,out}-\frac{Y_{x/O_2}}{Y_{x/H_2}}q_{O_2}xV\right)n_G^{-1}
\]

Hapa \(y_{H_2,out}\) ni sehemu ya moli ya hidrojeni kwenye tokeo la reaktori au kwenye nafasi ya juu ya gesi. \(y_{H_2,in}\) ni sehemu ya moli ya hidrojeni katika gesi ya kuingia. \(n_{in}\) na \(n_{out}\) ni viwango vya moli vya kuingia na kutoka kwa gesi. \(Y_{x/H_2}\) ni mavuno ya biomasi kwa hidrojeni. \(q_{O_2}\) ni kasi mahususi ya matumizi ya oksijeni. \(x\) ni mkusanyiko wa biomasi; \(V\) ni ujazo wa kazi; \(n_G\) ni jumla ya moli za gesi katika nafasi ya juu ya reaktori.

Mlinganyo huu unaeleza kwamba uwiano wa hidrojeni katika awamu ya gesi hubadilika kwa athari kuu tatu: hidrojeni inayoingia kwenye mfumo, hidrojeni inayotoka kwenye mfumo, na hidrojeni inayotumiwa na shughuli za kimetaboliki za seli. Kwa hiyo katika mifumo yenye urejeshaji wa gesi, haitoshi kurekebisha muundo wa gesi mpya tu; muundo wa gesi inayorejea pia huathiri mchakato kwa muda.

Kwa sehemu ya moli ya CO₂, utafiti ulitoa usemi unaotegemea uhusiano huu wa kufunga:

\[
\frac{dy_{CO_2,out}}{dt}=-\frac{dy_{H_2,out}}{dt}
\]

Usemi huu unawakilisha kufungwa kwa sehemu za moli za muundo wa awamu ya gesi chini ya dhana fulani katika modeli. Lengo hapa ni kufuatilia kwa njia iliyorahisishwa mabadiliko ya muundo wa gesi. Modeli haijaribu kuwakilisha kila ugumu wa mfumo halisi, bali mahusiano ya msingi kati ya ukuaji, upatikanaji wa oksijeni, matumizi ya hidrojeni na mkakati wa ulishaji wa gesi.

Fomula ya ubadilishaji wa hidrojeni inaeleza nini?

Katika utafiti, ubadilishaji wa hidrojeni ulihesabiwa kwa namna inayoonyesha kiasi cha hidrojeni yote iliyotolewa kwa gesi mpya ambacho hakikupotea kupitia mtiririko wa purge, yaani gesi inayotolewa nje:

\[
X_{H_2}(t)=\frac{\int_{0}^{t}y_{H_2,fresh}(\tau)n_{fresh}(\tau)d\tau-\int_{0}^{t}y_{H_2,out}(\tau)n_{purge}(\tau)d\tau}{\int_{0}^{t}y_{H_2,fresh}(\tau)n_{fresh}(\tau)d\tau}
\]

Hapa \(X_{H_2}(t)\) ni ubadilishaji wa hidrojeni unaotegemea muda. \(y_{H_2,fresh}\) ni sehemu ya moli ya hidrojeni katika gesi mpya. \(n_{fresh}\) ni kiwango cha mtiririko wa moli cha gesi mpya. \(y_{H_2,out}\) ni sehemu ya moli ya hidrojeni katika gesi ya tokeo au purge. \(n_{purge}\) ni mtiririko wa gesi ya purge. Denominator inaonyesha jumla ya hidrojeni iliyotolewa kwenye mfumo; neno la pili kwenye numerator linaonyesha kiasi cha hidrojeni kilichopotea kwa kutolewa nje.

Maana ya vitendo ya fomula hii ni wazi sana: hidrojeni ni ingizo la gharama na la thamani. Ikiwa sehemu kubwa ya hidrojeni iliyotolewa inapotea kupitia gesi ya tokeo bila kutumiwa na seli, mchakato huwa dhaifu kiuchumi. Kwa hiyo si kiasi cha biomasi pekee kinachopaswa kuangaliwa, bali pia jinsi hidrojeni inavyotumika kwa ufanisi.

Matokeo ya modeli: kwa nini kLa inaweza kuonekana tofauti chini ya hali halisi za kibayolojia?

Katika modeli ya STR ya ototrofiki, thamani mbili za kLa zililinganishwa: 236 h^-1 iliyopimwa kwa abiotiki na 145 h^-1 iliyolingana vizuri zaidi na mkondo wa biomasi wa majaribio. Modeli iliwakilisha profaili ya biomasi ya majaribio vizuri zaidi kwa thamani ya 145 h^-1. Kutumia 236 h^-1 kulikadiria kupita kiasi wazi ukusanyaji wa biomasi.

Matokeo haya ni onyo muhimu. Kipimo cha kLa cha abiotiki, yaani kipimo cha uhamishaji wa wingi bila seli hai, kinaweza kuonyesha uhamishaji fanisi wa oksijeni katika hali halisi za kultivation kuwa mkubwa kuliko ulivyo. Uwepo wa seli, muundo wa mazingira, biofilm, povu, viskoziti, viambato amilifu vya uso na tabia ya viputo vya gesi vinaweza kubadilisha athari ya kLa katika mchakato halisi. Katika utafiti, ilielezwa kwamba tofauti kati ya 145 h^-1 na 236 h^-1 iliongeza biomasi ya juu zaidi katika modeli kwa takriban %58. Hii inaonyesha jinsi uzalishaji wa biomasi ulivyo nyeti kwa uhamishaji fanisi wa gesi-kioevu.

Kielelezo 5 kinaeleza nini?

Kielelezo 5 kinalinganisha data ya biomasi ya majaribio katika STR na utabiri wa modeli unaotegemea thamani mbili tofauti za kLa. Utabiri unaotegemea 236 h^-1 huinua biomasi kwa kasi hadi kiwango cha juu zaidi na kukadiria kupita kiasi matokeo ya majaribio. Thamani ya 145 h^-1 iko karibu zaidi na mkondo wa majaribio. Grafu hii inaonyesha kwamba modeli si zoezi la kinadharia tu; kwa kulinganishwa na data ya majaribio, inaonyesha ni parameta gani inawakilisha vizuri zaidi hali halisi za utamaduni.

Kwa nini uwiano wa urejeshaji wa gesi ni muhimu?

Urejeshaji wa gesi unaweza kusaidia gesi kukaa muda mrefu zaidi kwenye reaktori na kutumiwa vizuri zaidi. Hata hivyo, uwiano mkubwa sana wa urejeshaji hupunguza athari ya gesi mpya. Katika utafiti, uwiano wa urejeshaji wa gesi kwa gesi mpya ulitolewa kama 35,7 kwa ALR na 71,4 kwa TFR. Uwiano huu mkubwa unaweza kupunguza sehemu ya oksijeni katika gesi mpya kwa kuichanganya na gesi inayorejea.

Kulingana na sheria ya Henry, shinikizo sehemu la oksijeni katika awamu ya gesi linapopungua, mkusanyiko wa kushiba wa oksijeni iliyoyeyushwa unaoweza kufikiwa katika awamu ya kioevu pia hupungua. Kwa hiyo hata kama kuna mzunguko mkubwa wa gesi kwenye reaktori, oksijeni fanisi inayoweza kuhamishwa kwenda kwenye kioevu inaweza kupungua. Hali hii ni muhimu hasa katika ukuaji wa ototrofiki; kwa sababu Cupriavidus necator hutumia H₂ na CO₂ huku pia akihitaji oksijeni.

Kielelezo 6 kinaeleza nini?

Kielelezo 6 kinaonyesha utabiri wa modeli kuhusu athari ya uwiano wa urejeshaji wa gesi juu ya biomasi ya juu zaidi na ubadilishaji wa hidrojeni. Katika paneli ya kushoto, inaonekana kwamba kadiri uwiano wa urejeshaji unavyoongezeka, mkusanyiko wa juu zaidi wa biomasi hushuka. Kushuka huku kumelezwa kwa gesi inayorejea kupunguza nguvu ya gesi mpya na kupunguza sehemu ya moli ya oksijeni inayoingia.

Katika paneli ya kulia, inaonyeshwa kwamba ubadilishaji wa hidrojeni hubadilika kulingana na muundo wa gesi. Katika michanganyiko yenye uwiano mkubwa sana wa H₂, upotevu wa hidrojeni unaweza kuongezeka na ubadilishaji kupungua. Baadhi ya michanganyiko ya rejea yenye oksijeni zaidi inaweza kutoa biomasi kubwa zaidi na ubadilishaji mkubwa zaidi wa H₂; lakini baadhi yake huenda isiweze kutumiwa kwa vitendo kwa sababu ya usalama wa mlipuko wa H₂/O₂. Grafu hii inaonyesha wazi usawazishaji mgumu wa kihandisi kati ya utendaji wa kibayolojia na usalama.

Mikakati ya ulishaji wa gesi: modeli inapendekeza nini?

Katika utafiti, mikakati mitatu ya ulishaji wa gesi iliundwa kwa modeli ili kuweka sehemu ya moli ya oksijeni katika gesi ya tokeo katika kiwango cha 0,05 chini ya uendeshaji salama:

• Mkakati unaorekebisha muundo: Kiwango cha mtiririko wa gesi mpya huwekwa thabiti, lakini muundo wa gesi hubadilishwa kwa muda.
• Mkakati unaorekebisha mtiririko: Muundo wa gesi mpya huwekwa thabiti, lakini kiwango cha mtiririko wa gesi mpya huongezwa.
• Mkakati wa pamoja: Kwanza muundo wa gesi mpya hurekebishwa, na baada ya mtiririko wa purge kufika sifuri, kiwango cha mtiririko wa gesi mpya huongezwa.

Katika mkakati unaorekebisha muundo, biomasi ya juu zaidi ilikadiriwa kuwa 2,0 g L^-1. Hii inamaanisha ongezeko la %194 ikilinganishwa na utendaji wa majaribio wa ALR. Katika mkakati unaorekebisha mtiririko, biomasi ya juu zaidi ilikadiriwa kuwa 2,1 g L^-1, na ongezeko la %208 ikilinganishwa na utamaduni wa majaribio liliripotiwa. Mkakati wa pamoja ulitoa matokeo bora zaidi: biomasi ya juu zaidi ilikadiriwa kuwa 2,3 g L^-1 na ilielezwa kuwa sawa na ongezeko la %238 dhidi ya matokeo ya majaribio.

Hata hivyo, matokeo haya hayajathibitishwa kwa majaribio. Modeli inategemea kLa iliyopimwa kwa abiotiki kwa ALR. Utafiti wenyewe pia unaeleza kwamba kLa ya abiotiki inaweza kuwakilisha hali halisi za kibayolojia kwa matumaini kupita kiasi. Kwa hiyo usemi wa ongezeko la %238 ni “uwezekano wa kuboresha chini ya dhana fulani za modeli”, si mafanikio ya majaribio yaliyothibitishwa.

Kielelezo 7 kinaeleza nini?

Kielelezo 7 kinaonyesha athari za mikakati mitatu ya ulishaji wa gesi kwa muda kupitia grafu zenye paneli nyingi. Mstari wa juu una biomasi na oksijeni iliyoyeyushwa; mistari ya chini ina mitiririko ya gesi mpya na purge, sehemu za moli za gesi ya kuingia na sehemu za moli za gesi ya kutoka. Katika mkakati wa pamoja, mstari wima uliokatika unaonyesha sehemu ambapo udhibiti huhama kutoka urekebishaji wa muundo kwenda urekebishaji wa mtiririko.

Grafu hizi zinaonyesha kwamba udhibiti wa ulishaji wa gesi ni tatizo dinamiki. Kadiri idadi ya seli inavyoongezeka, matumizi ya gesi pia huongezeka; kwa hiyo muundo wa gesi uliokuwa sahihi mwanzoni unaweza kuwa hautoshi baadaye. Kwa sababu hii, badala ya mapishi thabiti ya gesi, kurekebisha muundo na mtiririko wa gesi kadiri ukuaji unavyoendelea kunaweza kutoa matokeo bora.

Kielelezo 8 kinaeleza nini?

Kielelezo 8 kinaonyesha mabadiliko ya ubadilishaji wa hidrojeni kwa muda kwa mikakati mitatu. Katika mkakati unaorekebisha mtiririko, ubadilishaji wa H₂ ulifikia takriban %16 tu. Katika mkakati unaorekebisha muundo ulifikia takriban %70, na katika mkakati wa pamoja wa muundo + mtiririko ulifikia takriban %72. Tofauti hii inaelezwa na mtiririko wa purge kushuka hadi sifuri baada ya saa 28 katika baadhi ya mikakati. Purge inapopungua, sehemu kubwa zaidi ya hidrojeni iliyotolewa hutumiwa na seli au kubaki katika mzunguko wa urejeshaji.

Matokeo haya ni muhimu sana kwa uchumi wa mchakato. Hidrojeni ni ingizo la thamani na gharama, hasa inapozalishwa kutoka vyanzo jadidifu. Hata kama biomasi inaongezeka, ikiwa sehemu kubwa ya hidrojeni inatupwa bila kutumiwa, mfumo huwa dhaifu kiuchumi. Kwa hiyo mojawapo ya ujumbe wenye nguvu zaidi wa utafiti ni kwamba mkakati wa ulishaji wa gesi ni muhimu si kwa ukuaji wa kibayolojia tu, bali pia kwa ufanisi wa matumizi ya H₂.

Nguvu za utafiti

• Kufanya ulinganisho wa majaribio: STR, ALR na TFR zililinganishwa katika muktadha uleule wa kibayolojia.
• Kutumia hali mbili tofauti za ukuaji: Hali za heterotrofiki na ototrofiki zilitathminiwa tofauti.
• Kuweka uhamishaji wa gesi-kioevu katikati: Utafiti ulichukulia utendaji wa kibayolojia pamoja na uhandisi wa reaktori.
• Kutoa ushahidi wa kuona na wa majaribio: Mchoro wa reaktori, mikondo ya ukuaji, kielelezo cha biofilm na grafu za modeli zilitathminiwa pamoja.
• Kuongeza uchambuzi wa msingi wa modeli: Ukuaji wa ototrofiki, urejeshaji wa gesi na mikakati ya ulishaji vilitafsiriwa kwa modeli ya hisabati.
• Kuzingatia suala la usalama: Hatari ya mlipuko katika michanganyiko ya H₂/O₂ ilishughulikiwa wazi kama kikwazo cha muundo salama wa gesi.

Mapungufu ya utafiti

• Hali ya mapitio ya wenzao: Utafiti ni preprint ambao haujapitia mapitio ya wenzao.
• Matokeo ya ototrofiki kubaki madogo: Ubora uliotarajiwa wa ALR na TFR haukuonyeshwa kikamilifu kwa majaribio katika hali za ototrofiki.
• Biofilm na agglomeration ya seli: Kuundwa kwa biofilm kulionekana katika ALR na kunaweza kuathiri kipimo cha biomasi na uhamishaji wa gesi.
• Tatizo la udhibiti wa joto: Katika TFR, kilele cha joto katika masafa ya 33–40 °C kilitokea kwa sababu ya joto lililotokana na pampu.
• Muundo wa gesi ni salama lakini si bora kabisa kibayolojia: Uwiano wa oksijeni ambao ungeweza kuwa bora zaidi kibayolojia haukutumiwa kwa sababu za usalama.
• Matokeo ya modeli si uthibitishaji wa majaribio: Ongezeko la %194–%238 lililotabiriwa kwa mikakati ya ulishaji wa gesi ni la msingi wa simuleringar.
• Kutokuwa na uhakika kwa kLa ya abiotiki: Thamani za kLa za abiotiki zinaweza kukadiria kupita kiasi uhamishaji fanisi wa gesi katika hali halisi za kultivation ya kibayolojia.
• Kukuza skeli hakujathibitishwa moja kwa moja: Utafiti hauonyeshi mafanikio ya uzalishaji endelevu katika skeli ya viwanda.

Utafiti unasema nini, na haussemi nini?

Utafiti unasema hili: Reaktori ya mtiririko wa Taylor inaweza, katika kultivation ya heterotrofiki ya Cupriavidus necator, kuzuia ukomo wa oksijeni kwa kLa kubwa na hivyo kutoa biomasi kubwa zaidi kuliko STR na ALR. Aidha, katika ubadilishaji wa CO₂ unaosaidiwa na H₂, usanifu wa reaktori, uhamishaji wa gesi-kioevu, urejeshaji wa gesi na mkakati wa ulishaji wa gesi vinapaswa kufikiriwa pamoja. Matokeo ya modeli yanaonyesha kwamba hata chini ya uendeshaji salama, uzalishaji wa biomasi wa ototrofiki unaweza kuongezwa kwa udhibiti unaofaa wa muundo na mtiririko.

Utafiti hausimi hili: Hauithibitishi kwamba ALR au TFR ni bora kuliko STR katika kila hali. Katika majaribio ya ototrofiki, ubora huu haukutokea kikamilifu. Utafiti pia hausimi kwamba uzalishaji wa kiuchumi na salama kutoka CO₂ uko tayari katika skeli ya viwanda. Aidha, maboresho makubwa yaliyotabiriwa na modeli hayapaswi kuchukuliwa kama matokeo ya uhakika kabla hayajathibitishwa kwa majaribio.

Umuhimu wake kwa zamani, sasa na baadaye

Zamani, reaktori za tanki zinazokorogwa zilikuwa kiwango cha kawaida katika bioprocess. Mifumo hii ni nyumbufu, inajulikana vizuri na inaweza kudhibitiwa. Hata hivyo, katika michakato inayofanya kazi na gesi zenye mumunyiko mdogo, ukorogaji wa kimekanika peke yake unaweza kutotosha au kuhitaji nishati kubwa. Kwa hiyo mifumo iliyoboreshwa kama airlift na mtiririko wa Taylor imepata umuhimu kwa sababu ya uwezo wake wa kuongeza uhamishaji wa gesi.

Leo, kutathmini upya CO₂, kutumia hidrojeni jadidifu na kuendeleza njia za uzalishaji wa kemikali zisizotegemea vyanzo vya kisukuku ni muhimu sana. Utafiti huu unaonyesha kwamba malengo haya hayahusiani tu na uchaguzi wa mikroorganismi, bali pia na uhandisi wa reaktori moja kwa moja. Bakteria anaweza kutumia CO₂; lakini ikiwa reaktori haiwezi kumfikishia H₂, CO₂ na O₂ kwa kasi sahihi, kwa namna sahihi na ndani ya mipaka salama, mchakato unabaki wenye kikomo.

Baadaye, tafiti za aina hii zinaweza kuchangia katika kuendeleza miundo salama na yenye ufanisi zaidi ya reaktori kwa ajili ya kuzalisha biopolima, protini ya seli moja, kemikali za msingi wa kibaolojia au metabolites maalumu kutoka CO₂. Lakini kwa hilo, udhibiti wa biofilm, usimamizi wa joto, urejeshaji wa gesi, ufanisi wa matumizi ya gesi, matumizi ya nishati na uhalisia wa kiuchumi vinapaswa kuboreshwa pamoja.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Usanifu wa majaribio wa utafiti

Taarifa za muundo wa reaktori

Matokeo makuu katika hali ya heterotrofiki

Matokeo haya yanaonyesha kwamba TFR ilitoa faida kubwa ya uhamishaji wa gesi-kioevu katika ukuaji wa heterotrofiki. Hata hivyo, kufanana kwa kasi za ukuaji mwanzoni kunadokeza kwamba tofauti inahusiana zaidi na uwezo wa reaktori kuendelea kutoa oksijeni katika msongamano mkubwa wa seli kuliko uwezo wa msingi wa bakteria kukua.

Matokeo ya PHB

Matokeo makuu katika hali ya ototrofiki

Katika hali za ototrofiki, kLa kubwa za ALR na TFR hazikugeuka kuwa ubora uliotarajiwa wa kibayolojia. Matokeo haya yanaonyesha kwamba uhamishaji wa gesi-kioevu ni muhimu, lakini hautoshi peke yake. Mwelekeo wa reaktori kuunda biofilm, usimamizi wa joto na uwiano wa urejeshaji wa gesi kwa gesi mpya ni muhimu kwa kiwango kilekile.

Milanyo ya msingi iliyotumiwa katika modeli

Matokeo ya modeli ya mikakati ya ulishaji wa gesi

Matokeo haya yanaonyesha kwamba katika ubadilishaji wa CO₂ wa ototrofiki, pamoja na uchaguzi wa reaktori, mkakati wa udhibiti wa gesi pia ni kigezo cha msingi. Hata hivyo, jedwali hili ni utabiri wa modeli; katika utekelezaji wa majaribio, udhibiti wa joto, biofilm, kLa halisi, kutengeneza povu, usalama wa gesi na gharama ya kuongeza skeli vinapaswa kutathminiwa zaidi.

Tafsiri fupi ya matokeo ya jumla

• Katika ukuaji wa heterotrofiki, kLa kubwa ya TFR ilionekana moja kwa moja katika biomasi kubwa.
• Katika ukuaji wa ototrofiki, kLa kubwa haikutosha peke yake; biofilm, joto na vikwazo vya ulishaji wa gesi vilikandamiza utendaji.
• ALR ina faida ya nguvu ndogo za kukata na usanifu rahisi, lakini katika utafiti huu ilikumbwa na matatizo ya agglomeration ya seli na biofilm, yaliyoathiri kipimo na uhamishaji.
• TFR ina nguvu upande wa uhamishaji wa gesi; lakini katika mfumo wa 19 L, udhibiti wa joto unaotokana na pampu ulikuwa kikwazo muhimu katika ukuaji wa ototrofiki.
• Modeli ilionyesha kwamba uwiano wa gesi mpya kwa gesi inayorejeshwa na urekebishaji wa muundo wa gesi ni muhimu kwa biomasi na ubadilishaji wa H₂.
• Usalama wa H₂/O₂ ni kikwazo cha usanifu kilicho muhimu kama utendaji wa kibayolojia.

Noti ya Chanzo na Mbinu

Makala haya yametayarishwa kwa msingi wa utafiti wenye kichwa “Enhancing H2-Driven CO2 bioconversion through Airlift and Taylor Flow bioreactors: experimental comparison and model-based analysis” ulioandaliwa na Pedro Cruz, Paz Torres-Praderio, Felipe Scott na Alberto Vergara-Fernandez. Utafiti huu ni makala ya preprint iliyopo kwenye SSRN, na kwa kuwa maandishi yanaeleza wazi “This preprint research paper has not been peer reviewed”, haujapitia mapitio ya wenzao.

Maudhui haya yametayarishwa kwa msingi wa ulinganisho wa majaribio wa reaktori, kultivation za Cupriavidus necator H16, matokeo ya ukuaji wa heterotrofiki na ototrofiki, tathmini za uhamishaji wa gesi-kioevu, milanyo ya modeli, uchambuzi wa urejeshaji wa gesi na simuleringar za mikakati ya ulishaji wa gesi zilizotolewa katika utafiti. Hakijaongezwa madai ambayo hayapo katika utafiti, kama mafanikio ya skeli ya kibiashara, utekelezekaji wa viwanda wa uhakika, dhamana ya usalama au uwezo wa kutumika kwa mifumo yote ya ubadilishaji wa CO₂.

Sehemu ya majaribio ya utafiti imefungwa kwenye mipangilio maalumu ya STR, ALR na TFR. Katika hali za heterotrofiki, TFR ilizalisha biomasi kubwa; lakini katika hali za ototrofiki, ubora uliotarajiwa wa ALR na TFR haukujitokeza kikamilifu. Hali hii imeelezwa kwa sababu kama kuundwa kwa biofilm, agglomeration ya seli, ugumu wa udhibiti wa joto, muundo wa gesi ulio salama lakini wenye kikomo kibayolojia, na uwiano mkubwa wa urejeshaji wa gesi kwa gesi mpya.

Sehemu ya modeli ya hisabati inalenga kutafsiri matokeo ya majaribio na kutathmini kinadharia mikakati mbadala ya ulishaji wa gesi. Ongezeko la biomasi na thamani za ubadilishaji wa H₂ zilizotabiriwa na modeli zinapaswa kusomwa kama matokeo ya simuleringar yaliyopatikana chini ya dhana fulani, si kama uthibitisho wa moja kwa moja wa majaribio. Hasa, utafiti unajadili wazi kwamba thamani za kLa za abiotiki zinaweza kukadiria kupita kiasi uhamishaji fanisi wa gesi katika hali halisi za kultivation ya kibayolojia.

Kwa sababu ni preprint, matokeo yanapaswa kutathminiwa kwa tahadhari. Utafiti unaonyesha uwezo wa miundo ya reaktori iliyoboreshwa kama ALR na TFR kwa ubadilishaji wa CO₂ unaosaidiwa na H₂; lakini pia unaonyesha kwamba kwa kuongeza skeli, utendaji wa kibayolojia, ufanisi wa uhamishaji wa gesi-kioevu, hitaji la nishati, usalama na uhalisia wa tekno-uchumi vinapaswa kuboreshwa pamoja.