Ин таҳқиқот самаранокии тарҳҳои гуногуни биореакторро дар биотабдили CO₂ бо дастгирии гидроген меомӯзад. Дар маркази таҳқиқот бактерияи оксидкунандаи гидроген бо номи Cupriavidus necator H16 қарор дорад. Ин бактерия дар шароити мувофиқ метавонад гази гидрогенро ҳамчун манбаи энергия истифода барад, CO₂-ро ҳамчун манбаи карбон ба сохтори ҳуҷайра ворид кунад ва бо истифода аз оксиген ҳамчун қабулкунандаи ниҳоии электрон афзоиш ёбад. Аз ин рӯ, он ҳамчун платформаи муҳими биотехнологӣ барои истеҳсоли кимиёвии камтар вобаста ба манбаъҳои фоссилӣ ва азнавбаҳодиҳии карбон баррасӣ мешавад.

Дар таҳқиқот се равиши гуногуни биореактор муқоиса шудаанд: реактори анъанавии зарфи омехташаванда (stirred tank reactor, STR), реактори airlift (airlift reactor, ALR) ва реактори ҷараёни Taylor (Taylor flow reactor, TFR). Таҷрибаҳо дар ду шароити асосӣ анҷом дода шуданд. Дар шароити гетеротрофӣ бактерия фруктозаро ҳамчун манбаи карбон истифода бурд. Дар шароити автотрофӣ бошад, кӯшиш шуд бактерия бо омехтаи газҳои H₂, CO₂ ва O₂ парвариш карда шавад. Ҳамин тавр, муҳаққиқон рафтори ин реакторҳоро ҳам дар афзоиши классикӣ бо карбони органикӣ ва ҳам дар биотабдили мустақими CO₂ бо газҳо муқоиса карданд.

Дар шароити гетеротрофӣ TFR ба таври равшан баландтарин истеҳсоли биомассаро таъмин кард. Дар TFR ба 26,4 gCDW L^-1 биомасса расид, дар ҳоле ки STR дар 5,2 g L^-1 ва ALR дар 2,2 g L^-1 боқӣ монд. Ин фарқ бо қобилияти беҳтари TFR дар интиқоли массаи газ-моеъ алоқаманд карда шуд. Дар шароити автотрофӣ бошад, бартарии интизоршуда пурра ба вуҷуд наомад. ALR, TFR ва STR дар диапазони наздик боқӣ монданд; баландтарин арзишҳои биомасса тақрибан дар доираи 0,60–0,71 gCDW L^-1 гузориш шуданд. Муҳаққиқон ин фаъолияти маҳдудро бо ташаккули биофилм, ҷамъшавии ҳуҷайраҳо, мушкилоти назорати ҳарорат дар TFR, шароити таъмини гази аз ҷиҳати бехатарӣ мувофиқ, вале аз ҷиҳати биологӣ ғайриоптималӣ ва тунук шудани гази тоза аз ҳисоби гази бозгардондашуда шарҳ доданд.

Саҳми муҳими таҳқиқот танҳо муқоисаи таҷрибавӣ нест. Таҳқиқот инчунин биореакторҳои автотрофиро бо модели математикӣ таҳлил карда, нишон дод, ки мувозинати байни гардиши дубораи газ, ҷараёни гази тоза, таркиби газ, дастрасии оксиген ва табдили гидроген ба истеҳсоли биомасса таъсири қавӣ дорад. Мувофиқи натиҷаҳои модел, стратегияе, ки таркиби гази тоза ва суръати ҷараёнро якҷоя танзим мекунад, метавонад истеҳсоли биомассаро назариявӣ нисбат ба натиҷаи таҷрибавии ALR %238 зиёд карда, ба 2,3 g L^-1 расонад ва табдили H₂-ро тақрибан ба %72 бирасонад. Аммо ин натиҷаҳои модел санҷиши таҷрибавӣ нестанд, балки пешгӯии симулятсионӣ мебошанд; аз ин рӯ, бояд эҳтиёткорона хонда шаванд.

Шарҳи муфассал

Масъалаи асосии таҳқиқот чист?

Барои коҳиш додани партовҳои карбон дар саноат танҳо тағйир додани манбаи энергия кофӣ нест. Дар соҳаҳое ба монанди саноати кимиё, худи атоми карбон низ ба сохтори маҳсулот дохил мешавад. Пластикҳо, ҳалкунандаҳо, биополимерҳо, кимиёвии платформа ва баъзе маҳсулоти биотехнологӣ дорои карбон мебошанд. Аз ин рӯ, масъала танҳо «камтар энергия сарф кардан» нест, балки истифодаи карбони барқароршуда ё биологӣ табдилёфта ба ҷойи карбони фоссилӣ низ мебошад.

Ғояи асосие, ки ин таҳқиқот ба он таваҷҷуҳ дорад, чунин аст: CO₂-ро метавон на танҳо ҳамчун гази партовии ба атмосфера хориҷшаванда, балки ҳамчун манбаи карбон дар истеҳсоли биологӣ низ истифода бурд. Аммо барои он ки CO₂ аз ҷониби ҳуҷайра истифода шавад, энергия лозим аст. Дар ин ҷо гидроген ҳамчун манбаи энергия ва донори электрон ворид мешавад. Бактерияҳои оксидкунандаи гидроген, ба монанди Cupriavidus necator, метавонанд аз H₂ энергия гирифта, CO₂-ро ба моддаи ҳуҷайравӣ табдил диҳанд. Агар ин равиш бо гидрогени барқароршаванда якҷоя карда шавад, аз нигоҳи назариявӣ роҳи биопроцесси камтар вобаста ба ашёи хоми фоссилиро пешниҳод мекунад.

Аммо мушкил дар ҳамин ҷо оғоз мешавад: Ҳалшавандагии газҳои H₂ ва O₂ дар об паст аст. Барои афзоиши бактерия ин газҳо бояд ба муҳити моеъи фарҳангӣ гузаранд. Ҳатто агар ҳубобчаи газ ба реактор дода шавад, ҳуҷайра молекулаи фазаи газро мустақим истифода намекунад; газ бояд аввал дар фазаи моеъ ҳал шавад ва сипас ба ҳуҷайра расад. Агар ин гузариш ба қадри кофӣ зуд набошад, ҳатто агар дар муҳит газ вуҷуд дошта бошад, ҳуҷайра амалан гурусна мемонад. Мушкилоти асосии таҳқиқот маҳз ин тангии интиқоли массаи газ-моеъ мебошад.

Мушкилоти дигари асосӣ бехатарӣ аст. Cupriavidus necator дар афзоиши автотрофӣ бо омехтаи H₂, CO₂ ва O₂ кор мекунад. Баланд кардани оксиген метавонад афзоиши ҳуҷайраҳоро осонтар кунад, аммо омехтаҳои H₂/O₂ дар баъзе таносубҳо оташгиранда ва тарканда мешаванд. Аз ин рӯ, муҳаққиқон маҷбуранд на танҳо «афзоиши беҳтарини биологӣ», балки афзоишро дар таркиби гази бехатар низ ба назар гиранд. Ин ҳолат тарҳрезии биопроцессро мураккабтар мекунад.

Чаро ин масъала муҳим аст?

Биотабдили CO₂ дар буриши тағйирёбии иқлим, даври карбон, истеҳсоли кимиёвӣ ва биотехнология қарор дорад. Агар ин равиш бо муваффақият рушд кунад, истеҳсоли биомасса, протеини якҳуҷайра, биополимерҳо, равғанҳо ё маҳсулоти арзишманди мобайнии кимиёвӣ аз CO₂ мумкин мешавад. Аммо як ғояи биологие, ки дар миқёси лабораторӣ умедбахш менамояд, метавонад дар миқёси реактор аз сабаби интиқоли газ, назорати гармӣ, кафк, ташаккули биофилм ва таъмини бехатари газ фаъолияти интизоршударо надиҳад.

Ин таҳқиқот аз ҳамин ҷиҳат арзишманд аст; зеро танҳо ба потенсиали метаболикии бактерия нигоҳ намекунад, балки ба саволи «Ин бактерия дар кадом реактор ва дар кадом шароити интиқоли газ воқеан афзоиш меёбад?» тамаркуз мекунад. Бактерия метавонад CO₂-ро ба биомасса табдил диҳад; аммо агар реактор газро ба моеъ ба қадри кофӣ интиқол дода натавонад, процесс аз ҷиҳати саноатӣ заиф мемонад. Баръакс ҳам мумкин аст: Реактор аз ҷиҳати интиқоли газ хеле қавӣ бошад, аммо агар назорати ҳарорат вайрон шавад, биофилм сӯрохиҳоро бандад ё барои бехатарӣ оксиген паст нигоҳ дошта шавад, натиҷаи биологии интизоршуда ба даст намеояд.

Бо ташбеҳи ҳаррӯза, ин ба доштани як дорухати хеле хуб, вале нодуруст кор кардани оташдон монанд аст. Мавод дуруст, дорухат дуруст ва ҳатто ошпаз хуб буда метавонад; аммо агар гармӣ, омехтан ва вақт дуруст набошанд, ғизо ба ҳолати лозима намерасад. Дар ин таҳқиқот муносибати байни бактерия, газҳо ва реакторҳо ҳамчун як низоми ягона баррасӣ мешавад.

Холигие, ки таҳқиқот ба он ҷавоб медиҳад

Дар биотабдили CO₂ бо дастгирии H₂ бисёр таҳқиқот ба метаболизми микроорганизм, доираи маҳсулот ё таркиби газ тамаркуз мекунанд. Аммо муқоисаи тарҳҳои гуногуни пуршиддати реактор дар доираи як низоми биологӣ маҳдуд аст. Дар ин таҳқиқот реактори airlift ва реактори ҷараёни Taylor бо реактори анъанавии зарфи омехташаванда муқоиса карда шуданд.

STR як низоми классикӣ ва хеле маъмул дар биотехнология мебошад. Он моеъро бо омехтакунандаҳои механикӣ омехта карда, паҳншавии ҳубобчаҳои газро таъмин мекунад. ALR бошад, ба ҷойи омехтакунандаи механикӣ бо гардише кор мекунад, ки аз ҷараёни газ ба вуҷуд меояд; он бартарии қувваи камтари shear ва тарҳи соддатар дорад. TFR дар каналҳои капиллярӣ ҷараёни сегментшудаи газ-моеъ бо номи Taylor flow ба вуҷуд меорад. Дар ин ҷараён ҳубобчаҳои газ ва plug-ҳои моеъ пай дар пай ҳаракат мекунанд; ҳамин тавр, майдони тамоси газ-моеъ зиёд ва масофаи диффузия кӯтоҳ мешавад.

Холигие, ки таҳқиқот ба он ҷавоб меҷӯяд, чунин аст: Оё низомҳои пуршиддати ALR ва TFR, ки аз ҷиҳати интиқоли газ тавонотаранд, дар биотабдили CO₂ бо дастгирии H₂ нисбат ба STR-и анъанавӣ воқеан фаъолияти беҳтари биологӣ медиҳанд? Ҷавоби таҳқиқот дуқисмӣ аст. Дар афзоиши гетеротрофӣ бо фруктоза TFR бартарии хеле қавӣ нишон дод. Аммо дар афзоиши автотрофии мустақим бо H₂/CO₂/O₂ ин бартарӣ пурра дида нашуд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки танҳо ба арзиши kLa нигоҳ кардан барои тарҳрезии реактор кофӣ нест.

Микроорганизми истифодашуда: Cupriavidus necator

Cupriavidus necator H16 бактерияи оксидкунандаи гидроген аст, ки метавонад ба тарзҳои гуногуни ғизогирӣ мутобиқ шавад. Дар шароити гетеротрофӣ он метавонад манбаъҳои органикии карбон, масалан фруктозаро истифода барад. Дар шароити автотрофӣ бошад, H₂-ро ҳамчун манбаи энергия ва электрон, CO₂-ро ҳамчун манбаи карбон ва O₂-ро ҳамчун қабулкунандаи ниҳоии электрон истифода мекунад.

Яке аз хусусиятҳои муҳими ин бактерия қобилияти ҷамъ кардани polyhydroxybutyrate, яъне PHB мебошад. PHB ҳамчун polyester-и биобунёд ва биотаҷзияшаванда арзёбӣ мешавад. Дар таҳқиқот PHB низ чен карда шудааст; бахусус дар TFR дар шароити гетеротрофӣ бо маҳдудияти аммоний ва импулсҳои ғизодиҳӣ ҷамъшавии PHB мушоҳида шуд. Ин нишон медиҳад, ки бактерия танҳо афзоиш намеёбад, балки вобаста ба мувозинати ғизо метавонад карбонро ба полимери захиравӣ равона кунад.

Фарқи байни шароити гетеротрофӣ ва автотрофӣ

Дар таҳқиқот ду режими биологии кор мавҷуд аст. Дар шароити гетеротрофӣ бактерия фруктоза истифода мекунад. Дар ин ҳолат манбаи карбон дар муҳити моеъ ҳалшуда аст ва нисбат ба CO₂-и газӣ осонтар ба бактерия мерасад. Оксиген ҳамоно муҳим аст, зеро барои нафаскашии ҳуҷайра лозим мебошад. Аз ин рӯ, дар таҷрибаҳои гетеротрофӣ санҷида шуд, ки оё маҳдудкунандаи асосӣ интиқоли оксиген аст ё не.

Дар шароити автотрофӣ вазъ душвортар аст. Бактерия ҳам карбонро аз CO₂ мегирад, ҳам энергияро аз H₂ таъмин мекунад ва ҳам ба O₂ эҳтиёҷ дорад. Ҳар сеи ин газҳо бояд бо таносуби дуруст ба реактор дода, дар моеъ ҳал ва барои ҳуҷайра дастрас гарданд. Илова бар ин, аз сабаби бехатарии H₂/O₂ сатҳи оксиген метавонад маҷбурӣ аз сатҳи биологии оптималӣ пасттар нигоҳ дошта шавад. Аз ин рӯ, афзоиши автотрофӣ нисбат ба афзоиши гетеротрофӣ ба масъалаи хеле ҳассоси муҳандисӣ табдил меёбад.

Чаро интиқоли массаи газ-моеъ ва kLa дар маркази таҳқиқот аст?

kLa, ки дар таҳқиқот пайваста зикр мешавад, коэффисиенти ҳаҷмии интиқоли массаи газ-моеъ мебошад. Ба таври содда, он нишон медиҳад, ки як ҷузъи фазаи газ бо чӣ суръат ба моеъ интиқол дода мешавад. Ҳар қадар kLa баланд бошад, реактор газро ба муҳити моеъ ҳамон қадар самаранок интиқол медиҳад. Аммо тавре таҳқиқот нишон медиҳад, kLa танҳо ҳама чизро шарҳ намедиҳад; зеро дар шароити воқеии биологӣ биофилм, ҳарорат, таркиби газ ва сатҳи гардиши дубора низ фаъолиятро муайян мекунанд.

Барои шарҳи мантиқи таҳқиқот, муносибати асосии интиқоли газро чунин фаҳмидан мумкин аст:

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

Ин формула барои фаҳмидани терми интиқоли масса, ки ба қисми аввали муодилаи тавозуни оксиген мувофиқ аст, истифода мешавад. Дар ин ҷо r_O₂ суръати интиқоли оксиген ба фазаи моеъ; K_La коэффисиенти ҳаҷмии интиқоли массаи оксиген; M_O₂^sat консентратсияи сершавии оксигени ҳалшуда дар шароити мавҷудаи газ; ва M_O₂ консентратсияи ҷории оксигени ҳалшударо ифода мекунад. Ҳар қадар фарқи дар қавс буда калон бошад, қувваи пешбарандаи гузариши оксиген ба моеъ зиёдтар мешавад.

Бо ташбеҳи ҳаррӯза, ин муносибат ба пур кардани як пиёлаи холӣ бо об монанд аст. Ҳар қадар пиёла холитар бошад, фарқи пуркунӣ зиёдтар аст. Аммо дебити крани об низ муҳим мебошад. Дар ин мисол kLa-ро метавон ба қобилияти самараноки кран барои додани об монанд кард. Аммо агар қубур баста бошад, пиёла каҷ бошад ё об хеле гарм бошад, танҳо ба дебити кран нигоҳ кардан кофӣ нест. Дар таҳқиқот низ он ки TFR-и автотрофӣ бо вуҷуди kLa-и баланд ба биомассаи интизоршуда нарасид, аз ҳамин ҷиҳат муҳим аст.

Дастгоҳи таҷрибавӣ: STR, ALR ва TFR чӣ гуна фарқ мекунанд?

STR-и истифодашуда Labfors 5 биореактор бо ҳаҷми кории 1 L мебошад. Ҳарорат, оксигени ҳалшуда ва pH бо сенсорҳо назорат шуда, назорати pH бо 5 M NaOH анҷом дода шудааст. Омехтан тавассути се impeller-и Rushton-и шашболдор таъмин шудааст. Суръати омехтан бо стратегияи назорати зинавӣ вобаста ба оксигени ҳалшуда аз 300 rpm то ҳадди 1100 rpm танзим мешуд.

ALR як реактори airlift-и консентрикӣ бо гардиши дохилӣ мебошад. Он ҳаҷми кории 2,1 L дорад. Дар реактор қисмати riser-и шишагӣ бо дарозии 470 mm ва минтақаи downcomer байни он ва сутуни беруна мавҷуд аст. Газ аз sparger-и микропораҳои аз пӯлоди зангногир дар поёни riser дода шудааст. Ин sparger андозаи номиналии сӯрохии 0,5 µm дорад. Ҳадаф ба вуҷуд овардани ҳубобчаҳои хурд ва тақсимоти якхелатари газ дар моеъ мебошад.

TFR низоми калонтарест, ки дар сутуни аз пӯлоди зангногири дарозиаш 1600 mm 207 канали капиллярӣ дорад. Диаметри дохилии капиллярҳо 3 mm, диаметри берунии онҳо 6 mm ва ҳаҷми корӣ 19 L мебошад. Газ аз поён дода шуда, пеш аз ворид шудан ба капиллярҳо барои тақсимоти якхелатари газ ҳалқаҳои K1 Kaldnes истифода шудаанд. Гардиши дубораи моеъ бо насоси марказгурез таъмин шудааст. Дар мантиқи Taylor flow ҳубобчаҳои газ ва сегментҳои моеъ дар капилляр ба таври мунтазам ҳаракат мекунанд. Ин сохтор барои низомҳое, ки бо газҳои камҳалшаванда кор мекунанд, муҳим аст, зеро тамоси газ-моеъро қавӣ мегардонад.

Шакли 1 чиро нишон медиҳад?

Схемаи дастгоҳи таҷрибавӣ роҳҳои афзоиши гетеротрофӣ ва автотрофиро якҷоя нишон медиҳад. Хатҳои сурх таъмини ҳавои тоза дар таҷрибаҳои гетеротрофӣ, хатҳои сабз низоми таъмини H₂, CO₂ ва ҳаво дар таҷрибаҳои автотрофӣ ва хатҳои сиёҳ истгоҳи реактории муштараки ҳар ду низомро ифода мекунанд. Дар истгоҳи реактор TFR, ALR ва STR якҷоя нишон дода шудаанд; TFR ҳамчунин ҳалқаи гардиши дубораи моеъ дорад.

Ин схема муҳим аст, зеро нишон медиҳад, ки таҳқиқот танҳо «парвариши бактерия дар се зарфи гуногун» нест. Манбаъҳои газ, контроллерҳои ҷараёни масса, нуқтаҳои намунагирии газ, компрессори гардиши дубора, насоси моеъ ва истгоҳи реактор якҷоя ба назар гирифта шудаанд. Хусусан дар шароити автотрофӣ назорати таркиби газ дар ворид ва хориҷ барои чен кардани мувозинати бехатарии H₂ ва O₂ бо афзоиши биологӣ муҳим аст.

Натиҷаҳои афзоиши гетеротрофӣ: Чаро TFR пешсаф шуд?

Дар таҷрибаҳои гетеротрофӣ фруктоза ҳамчун манбаи карбон истифода шуда, афзоиши Cupriavidus necator дар ҳар реактор пайгирӣ шуд. Дар таҷрибаи STR омехтан бо 800 rpm ва ҷараёни ҳавои 1,8 L dk^-1 татбиқ гардид. Дар ин шароит kLa-и абиотикӣ 385 h^-1 дода шудааст. Пас аз марҳилаи таъхири тақрибан 20-соата афзоиши экспоненсиалӣ тақрибан 30 соат идома кард ва суръати хоси афзоиш ба 0,17 h^-1 расид. Пас аз тақрибан 50 соат оксигени ҳалшуда қариб ба сифр расид ва афзоиши биомасса аз сабаби маҳдудияти оксиген қатъ шуд. Максимуми консентратсияи ҳуҷайра 5,2 g L^-1 гузориш шудааст.

Дар таҷрибаи ALR ҷараёни ҳаво 2 L dk^-1 ва kLa-и абиотикӣ 336 h^-1 дода шудааст. Профили афзоиш марҳилаи таъхири ба STR монанд нишон дод; марҳилаи экспоненсиалӣ пас аз тақрибан 20 соат оғоз шуд ва суръати хоси афзоиш 0,16 h^-1 буд. Аммо максимуми консентратсияи ҳуҷайра танҳо дар 2,2 g L^-1 боқӣ монд. Муҳаққиқон қайд карданд, ки ин арзиши паст ҳадди ақал қисман ба ҷамъшавии ҳуҷайраҳо ва ташаккули биофилм вобаста буда метавонад, ки ченкунии биомассаро халалдор мекунанд. Сохтори пасти shear-и ALR метавонад часпидани ҳуҷайраҳоро ба девори реактор ва ҷамъшавии байниҳамдигариро осон карда бошад.

TFR бошад, дар шароити гетеротрофӣ натиҷаи пурқувваттаринро дод. Ҷараёни ҳаво 40 L dk^-1, суръати гардиши дубораи моеъ 35 L dk^-1 ва kLa-и абиотикӣ 1300 h^-1 дода шудааст. Дар ин низом ҳубобчаҳои дарози хоси Taylor flow дар тӯли найчаҳои капиллярӣ мушоҳида шуданд. Афзоиши экспоненсиалӣ пас аз тақрибан 30 соат оғоз шуд ва суръати хоси афзоиш 0,16 h^-1 гузориш гардид. TFR бе нишон додани маҳдудияти оксиген дар тӯли таҷриба ба максимуми биомассаи 26,4 g L^-1 расид.

Ин натиҷа хеле муҳим аст. Зеро суръатҳои ибтидоии афзоиш дар STR, ALR ва TFR ба ҳам наздиканд; фарқи асосӣ дар иқтидори ниҳоии биомасса пайдо мешавад. TFR аз сабаби интиқоли беҳтари оксиген имкон дод, ки афзоиш ҳатто ҳангоми баланд шудани зичии ҳуҷайраҳо барвақт аз норасоии оксиген бознаистад. Дар Taylor flow интиқол аз нӯгҳои нимкуравии ҳубобчаҳои газ ба plug-ҳои моеъ ва аз сатҳи силиндрии ҳубобча ба филми тунуки моеъ сурат мегирад. Ин ду роҳ майдони тамосро зиёд ва масофаи диффузияро кӯтоҳ мекунанд. Ҳамин тавр, интиқоли оксиген қавитар мешавад.

Шакли 2 чиро нишон медиҳад?

Графикҳои афзоиши гетеротрофӣ тағйири консентратсияи ҳуҷайра, консентратсияи фруктоза ва консентратсияи ammonium sulfate-ро бо вақт дар STR, ALR ва TFR нишон медиҳанд. Дар STR ва ALR консентратсияи ҳуҷайра то нуқтаи муайян меафзояд, сипас бо маҳдудияти оксиген ва ҳолати ғизо афзоиш қатъ мешавад. Дар графики TFR бошад, афзоиши дарозтар ва биомассаи баландтар дида мешавад. Илова бар ин, дар график ҳодисаҳои илова кардани ғизо ва вақтҳои ченкунии PHB ишора шудаанд.

Дар TFR тақрибан дар 40 соат аввалин маҳдудияти аммоний мушоҳида шуда, сипас рафтори метаболикӣ байни афзоиши биомасса ва ҷамъшавии PHB тағйир ёфт. Максимуми миқдори PHB %47,8 ва миқдори ниҳоии PHB %37,4 гузориш шудааст. Ин нишон медиҳад, ки ҳангоми маҳдудияти нитроген ҳуҷайра метавонад карбонро ба ҷойи афзоиш ба полимери захиравӣ равона кунад.

Шакли 3 чиро нишон медиҳад?

Тасвири реактори airlift нишон медиҳад, ки ташаккули биофилм дар низоми таҷрибавӣ танҳо масъалаи назариявӣ нест, балки аз ҷиҳати физикӣ дар сатҳҳои реактор мушоҳида шудааст. Тасвир намуди паҳлӯии ALR ва намуди аз боло пас аз культиватсияро дар бар мегирад. Дар намуди аз боло ташаккули биофилм дар девори реактор, қисматҳои downcomer ва riser нишон дода шудаанд.

Ин тасвир барои тафсири таҳқиқот хеле муҳим аст. Зеро натиҷаи пасти биомассаи ALR-ро танҳо ҳамчун «ин реактор заиф аст» хондан дуруст нест. Вақте биофилм ба вуҷуд меояд, қисми ҳуҷайраҳо дар фазаи моеъ озодона гардиш намекунад, балки ба девор ё сохторҳои дохилӣ мечаспад. Ин ҳам ченкуниро вайрон мекунад ва ҳам метавонад сатҳи паҳнкунандаи газро бандад, андозаи ҳубобча ва интиқоли газро тағйир диҳад. Дар шароити автотрофӣ ташаккули биофилм дар sparger ҳамчун омиле баррасӣ шудааст, ки метавонад сӯрохиҳоро қисман баста, kLa-ро паст кунад.

Чаро дар таҷрибаҳои автотрофӣ бартарии интизоршуда ба вуҷуд наомад?

Ҳадафи таҷрибаҳои автотрофӣ муайян кардани он буд, ки оё ALR ва TFR дар биотабдили CO₂ бо газҳои камҳалшаванда нисбат ба STR бартарӣ медиҳанд ё не. Таъмини гази тоза аз CO₂, H₂-и электролитӣ ва ҳавои филтршуда омода карда шуд. Таркиби газ ҳамчун 10%:65%:5%:20% CO₂:H₂:O₂:N₂ бо ҷараёни умумии 140 NmL dk^-1 дода шуд. Ҳамаи фарҳангҳои автотрофӣ дар 30 °C ва pH 7,0 гузаронида шуданд. Дар ALR ва TFR гардиши дубораи газ истифода шуд; барои ALR 5 L dk^-1 ва барои TFR 10 L dk^-1 суръати гардиши газ истифода гардид.

Дар таҷрибаи автотрофии ALR kLa-и абиотикӣ 519 h^-1 дода шудааст. Бо вуҷуди ин, максимуми биомасса танҳо 0,68 gCDW L^-1 буд. Суръати хоси афзоиш дар марҳилаи экспоненсиалӣ дар сатҳи 0,01 h^-1 қарор дошт. Биофилм ва агломератсияи ҳуҷайраҳо дар ин ҷо низ мушкили муҳим буданд. Бахусус ташаккули биофилм дар сатҳи паҳнкунандаи газ метавонад андозаи ҳубобчаҳоро тағйир дода, интиқоли газ-моеъро кам карда бошад.

Дар таҷрибаи автотрофии TFR kLa-и абиотикӣ 536 h^-1 дода шуда, максимуми биомасса 0,71 gCDW L^-1 гузориш гардид. Ин арзиш ба STR ва ALR наздик аст. Ҳол он ки аз TFR бинобар интиқоли беҳтари газ-моеъ биомассаи баландтар интизор мешуд. Муҳаққиқон назорати ҳароратро дар ин ҷо ҳамчун маҳдудкунандаи муҳим арзёбӣ карданд. Аз сабаби воридшавии энергия аз насоси гардиши дубораи моеъ, махсусан дар рӯзҳои гарм, қуллаҳои муваққатии ҳарорат дар доираи 33–40 °C ба вуҷуд омаданд. Cupriavidus necator одатан тақрибан дар 30 °C парвариш мешавад; гуфта мешавад, ки ҳароратҳои аз 40 °C боло афзоишро ҷиддан вайрон мекунанд. Дар шароити автотрофӣ, ки афзоиш аллакай бо интиқоли газ маҳдуд аст, болоравии ҳарорат ҳалшавандагии газро низ кам карда, мушкилро вазнин мекунад.

Фарҳанги контролии STR бо kLa-и абиотикии 236 h^-1 ба биомассаи ниҳоии 0,6 gCDW L^-1 расид. Ин арзиш бо ALR ва TFR-и дорои kLa-и баландтар дар ҳамон тартиби бузургӣ мебошад. Ин яке аз паёмҳои асосии таҳқиқот аст: Потенсиали пуршиддати интиқоли газ-моеъ танҳо худ аз худ бартарии афзоиши автотрофиро кафолат надод. Маҳдудиятҳои дигар, ба монанди биофилм, ҳарорат, таркиби бехатари газ ва таносуби гардиши дубора, ин бартариро пӯшониданд.

Шакли 4 чиро нишон медиҳад?

Графики афзоиши автотрофӣ консентратсияи биомассаи STR, ALR ва TFR-ро бо вақт муқоиса мекунад. Ҳамчунин маълумоти пештар гузоришшудаи гибридии ATFR ҳамчун истинод илова шудааст. STR дар марҳилаи аввал тақрибан ба 0,6 g L^-1 мерасад ва дар он ҷо мемонад. ALR сусттар боло меравад, дертар тақрибан ба 0,68 g L^-1 мерасад ва сипас коҳиш нишон медиҳад. TFR бо вақт тақрибан ба 0,71 g L^-1 мерасад, аммо ба биомассаи баланди интизоршуда намерасад.

Дар график дида мешавад, ки ATFR тақрибан то 0,95 gCDW L^-1 боло меравад. Аммо ҳатто ин арзиш аз интизории афзоиши автотрофии зичии баланди ҳуҷайра хеле паст аст. Таҳқиқот баррасӣ мекунад, ки таносуби байни гардиши дубораи газ ва таъмини гази тоза метавонад ба ин таъсир расонад. Яъне гардиши хеле зиёди газ метавонад барои гидродинамика ва kLa зарур бошад, аммо агар ҷараёни гази тоза хеле паст бошад, гази бозгашта гази тозаро тунук мекунад ва partial pressure-и оксигенро, ки барои гузаштан ба моеъ лозим аст, паст мекунад.

Таркиби газ ва мувозинати бехатарӣ

Омехтаи гази истифодашуда, вақте дар асоси бе нитроген аз нав ҳисоб карда мешавад, ба таркиби 12,5%:81,3%:6,2% CO₂:H₂:O₂ мувофиқ меояд. Дар адабиёт яке аз таркибҳои мувофиқтар барои культиватсияи автотрофии Cupriavidus necator 10% CO₂, 70% H₂ ва 20% O₂ гуфта мешавад. Аммо ин таносуб метавонад аз ҳадди поёнии таркиши омехтаҳои H₂/O₂ боло бошад. Аз ин рӯ, муҳаққиқон бо далели бехатарӣ оксигенро дар сатҳи пасттар нигоҳ доштанд.

Ин ҳолат дар тарҳрезии биопроцесс як дилеммаи хеле ҳассос эҷод мекунад. Бактерия метавонад бо оксигени бештар беҳтар афзоиш ёбад; аммо оксигени бештар дар низоми дорои гидроген хатари бехатариро зиёд мекунад. Аз ин рӯ, байни таъмини гази бехатар ва самаранокии биологӣ бояд мувозинат эҷод шавад. Бахши моделсозии таҳқиқот ин мувозинатро ба таври низоммандтар меомӯзад.

Модели математикӣ: Оксиген ба афзоиш чӣ гуна таъсир мекунад?

Дар афзоиши автотрофӣ ҳам норасоӣ ва ҳам зиёдатии оксиген метавонад мушкил бошад. Дар таҳқиқот гуфта мешавад, ки маҳдудияти оксиген тақрибан аз 1,1 mgO₂ L^-1 поён ва таъсири боздоранда аз 11,3 mgO₂ L^-1 боло гузориш шудааст. Ҳамчунин азбаски дар 4–7 mgO₂ L^-1 суръатҳои пасттари хоси афзоиш ва дар 2–3 mgO₂ L^-1 суръатҳои баландтари афзоиш гузориш шудаанд, барои тавсифи таъсири вобаста ба консентратсияи оксиген модели Haldane-Andrews интихоб шудааст.

Муодилаи суръати хоси афзоиш дар таҳқиқот чунин аст:

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

Дар ин ҷо \(\mu\) суръати хоси афзоиш ва суръати афзоиши ҳуҷайраҳоро дар як воҳиди вақт нишон медиҳад. \(\mu_{max}\) максимуми имконпазири суръати хоси афзоиш аст. \(M_{O_2}\) консентратсияи оксигени ҳалшуда мебошад. \(K_{O_2}\) доимии сершавии оксиген ва таъсири маҳдудкунандаи оксиген ба афзоишро ифода мекунад. \(K_I\) доимии боздории оксиген мебошад ва таъсиреро нишон медиҳад, ки дар он оксигени баланд ба коҳиши афзоиш оғоз мекунад.

Маънои формула чунин аст: Агар оксиген хеле паст бошад, афзоиш суст мешавад, зеро ҳуҷайра барои нафаскашӣ оксигени кофӣ намеёбад. Агар оксиген дар диапазони мувофиқ бошад, афзоиш тез мешавад. Аммо агар оксиген хеле баланд шавад, терми \(M_{O_2}^{2}/K_I\) дар махраҷ калон шуда, суръати афзоиш боз паст мешавад. Яъне барои оксиген мантиқи «ҳар қадар зиёд, ҳамон қадар беҳтар» амал намекунад; диапазони бехатар ва биологӣ мувофиқ лозим аст.

Муодилаҳои тавозуни биомасса ва оксигени ҳалшуда барои STR

Афзоиши биомасса барои реактори зарфи омехташаванда бо тавозуни массаи зерин ифода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(x\) консентратсияи ҳуҷайра мебошад ва воҳидаш g L^-1 дода мешавад. \(\mu\) суръати хоси афзоиш аст. \(k_d\) коэффисиенти намоёни вайроншавии биомасса мебошад. Муодила нишон медиҳад, ки биомасса аз як тараф бо афзоиш зиёд ва аз тарафи дигар бо таъсири нигоҳдорӣ/вайроншавӣ кам мешавад. Терми \(\mu x\) афзоиши ҳуҷайраҳоро ва терми \(k_d x\) талафи биомассаро ифода мекунад.

Тавозуни оксигени ҳалшуда чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(M_{O_2}\) консентратсияи оксигени ҳалшуда мебошад. \(K_La\) коэффисиенти ҳаҷмии интиқоли массаи оксиген аст. \(M_{O_2}^{sat}\) консентратсияи сершавии оксигени ҳалшуда мебошад. \(Y_{x/O_2}\) ҳосилнокии биомасса нисбат ба оксиген мебошад; яъне нишон медиҳад барои оксигени истеъмолшуда чӣ қадар вазни хушки ҳуҷайра ҳосил мешавад. \(m_{O_2}\) коэффисиенти хоси нигоҳдории оксиген аст, ки ҳуҷайраҳо барои зинда мондан ғайр аз афзоиш истеъмол мекунанд.

Тарафи чапи ин муодила тағйири консентратсияи оксигенро бо вақт нишон медиҳад. Қисми аввали тарафи рост воридшавии оксиген аз газ ба моеъ ва қисми дуюм истеъмоли онро аз ҷониби ҳуҷайраҳо нишон медиҳад. Яъне сатҳи оксиген натиҷаи рақобати байни иқтидори реактор барои интиқоли оксиген ва истеъмоли оксиген аз ҷониби ҳуҷайраҳост.

Модел барои низомҳои гардиши дубораи газ

Дар низомҳои гардиши дубораи газ ба монанди ALR, на танҳо оксигени фазаи моеъ, балки таносуби H₂ ва CO₂ дар фазаи газ низ бо вақт тағйир меёбад. Барои ҳиссаи молии гидроген дар фазаи газ муодилаи дифференсиалии зерин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(y_{H_2,out}\) ҳиссаи молии гидроген дар баромади реактор ё headspace мебошад. \(y_{H_2,in}\) ҳиссаи молии гидроген дар гази воридшаванда мебошад. \(n_{in}\) ва \(n_{out}\) суръатҳои молии ворид ва хориҷшавии газ мебошанд. \(Y_{x/H_2}\) ҳосилнокии биомасса нисбат ба гидроген мебошад. \(q_{O_2}\) суръати хоси истеъмоли оксиген мебошад. \(x\) консентратсияи биомасса; \(V\) ҳаҷми корӣ; ва \(n_G\) шумораи умумии молҳои газ дар headspace-и реактор аст.

Ин муодила нишон медиҳад, ки таносуби гидроген дар фазаи газ бо се таъсири асосӣ тағйир меёбад: гидрогени воридшаванда, гидрогени хориҷшаванда ва гидрогени бо фаъолияти метаболикии ҳуҷайра истеъмолшуда. Аз ин рӯ, дар низомҳои гардиши дубораи газ танҳо танзими таркиби гази тоза кофӣ нест; таркиби гази бозгардондашуда низ бо вақт ба процесс таъсир мерасонад.

Барои ҳиссаи молии CO₂ дар таҳқиқот ифодаи зерин дар асоси робитаи басташавӣ дода шудааст:

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

Ин ифода дар зери фарзияҳои муайяни модел басташавии ҳиссаҳои молии таркиби фазаи газро ифода мекунад. Ҳадаф пайгирии содашудаи тағйири таркиби газ мебошад. Модел кӯшиш мекунад на ҳамаи мураккабиҳои низоми воқеиро, балки робитаҳои асосии байни афзоиш, дастрасии оксиген, истифодаи гидроген ва стратегияи таъмини газро намояндагӣ кунад.

Формулаи табдили гидроген чиро нишон медиҳад?

Дар таҳқиқот табдили гидроген ҳамчун он ҳиссаи умумии гидрогени ба низом бо гази тоза додашуда ҳисоб шудааст, ки бо ҷараёни purge хориҷ ва талаф намешавад:

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

Дар ин ҷо \(X_{H_2}(t)\) табдили гидроген вобаста ба вақт мебошад. \(y_{H_2,fresh}\) ҳиссаи молии гидроген дар гази тоза аст. \(n_{fresh}\) суръати молии ҷараёни гази тоза мебошад. \(y_{H_2,out}\) ҳиссаи молии гидроген дар гази хориҷшаванда ё purge мебошад. \(n_{purge}\) ҷараёни гази purge аст. Махраҷ миқдори умумии гидрогени ба низом додашударо ва терми дуюми сурат миқдори гидрогени бо гази хориҷшаванда талафшударо нишон медиҳад.

Маънои амалии ин формула хеле равшан аст: Гидроген ашёи гарон ва арзишманд мебошад. Агар қисми зиёди гидрогени додашуда аз ҷониби ҳуҷайраҳо истифода нашуда, бо гази хориҷӣ талаф шавад, процесс аз ҷиҳати иқтисодӣ заиф мешавад. Аз ин рӯ, бояд на танҳо ба миқдори биомасса, балки ба самаранокии истифодаи гидроген низ нигоҳ кард.

Натиҷаҳои моделсозӣ: Чаро kLa дар шароити воқеии биологӣ метавонад дигар бошад?

Дар моделсозии автотрофии STR ду арзиши kLa муқоиса шуданд: 236 h^-1, ки абиотикӣ чен шудааст, ва 145 h^-1, ки ба каҷи биомассаи таҷрибавӣ беҳтар мувофиқ аст. Модел бо арзиши 145 h^-1 профили биомассаи таҷрибавиро беҳтар намояндагӣ кард. Ҳангоми истифодаи 236 h^-1 ҷамъшавии биомасса ба таври равшан аз ҳад зиёд пешгӯӣ шуд.

Ин натиҷа ҳушдори муҳим аст. Ченкунии абиотикии kLa, яъне ченкунии интиқоли масса бе ҳуҷайраҳои зинда, метавонад интиқоли самараноки оксигенро дар шароити воқеии культиватсия аз ҳад баланд нишон диҳад. Ҳузури ҳуҷайраҳо, таркиби муҳит, биофилм, кафк, viscosity, ҷузъҳои фаъолии сатҳӣ ва рафтори ҳубобчаҳо метавонанд таъсири kLa-ро дар процесси воқеӣ тағйир диҳанд. Дар таҳқиқот гуфта мешавад, ки фарқи байни 145 h^-1 ва 236 h^-1 максимуми биомассаи моделро тақрибан %58 зиёд мекунад. Ин нишон медиҳад, ки истеҳсоли биомасса то чӣ андоза ба интиқоли самараноки газ-моеъ ҳассос аст.

Шакли 5 чиро нишон медиҳад?

Шакли 5 маълумоти таҷрибавии биомасса дар STR-ро бо пешгӯиҳои модел дар асоси ду арзиши гуногуни kLa муқоиса мекунад. Пешгӯӣ бо 236 h^-1 биомассаро зуд ба сатҳи баландтар мебарад ва натиҷаи таҷрибавиро аз ҳад зиёд ҳисоб мекунад. Арзиши 145 h^-1 ба каҷи таҷрибавӣ наздиктар аст. Ин график нишон медиҳад, ки модел танҳо машқи назариявӣ нест; бо маълумоти таҷрибавӣ муқоиса шуда, муайян мешавад кадом параметр шароити воқеии фарҳангиро беҳтар намояндагӣ мекунад.

Чаро таносуби гардиши дубораи газ муҳим аст?

Гардиши дубораи газ метавонад вақти будубоши газро дар реактор зиёд карда, истифодаи онро беҳтар кунад. Аммо таносуби хеле баланди гардиши дубора таъсири гази тозаро тунук мекунад. Дар таҳқиқот таносуби гардиши дубора/гази тоза барои ALR 35,7 ва барои TFR 71,4 дода шудааст. Ин таносубҳои хеле баланд метавонанд оксигени гази тозаро бо гази бозгардондашуда тунук кунанд.

Мувофиқи қонуни Henry, вақте partial pressure-и оксиген дар фазаи газ кам мешавад, консентратсияи сершавии оксигени ҳалшуда дар фазаи моеъ низ паст мешавад. Аз ин рӯ, ҳатто агар дар реактор гардиши зиёди газ бошад, оксигени самараноке, ки метавонад ба моеъ гузарад, кам мешавад. Ин дар афзоиши автотрофӣ махсусан муҳим аст, зеро Cupriavidus necator ҳангоми истифодаи H₂ ва CO₂ ба оксиген низ ниёз дорад.

Шакли 6 чиро нишон медиҳад?

Шакли 6 пешгӯиҳои моделро барои таъсири таносуби гардиши дубораи газ ба максимуми биомасса ва табдили гидроген нишон медиҳад. Дар панели чап бо зиёд шудани таносуби гардиши дубора максимуми консентратсияи биомасса паст мешавад. Ин коҳиш бо тунук шудани гази тоза аз ҷониби гази бозгардондашуда ва кам шудани ҳиссаи молии оксиген дар воридот шарҳ дода шудааст.

Дар панели рост нишон дода мешавад, ки табдили гидроген вобаста ба таркиби газ тағйир меёбад. Дар омехтаҳои дорои ҳиссаи хеле баланди H₂ талафи гидроген зиёд ва табдил паст мешавад. Баъзе омехтаҳои истинодии дорои оксигени баландтар метавонанд биомасса ва табдили H₂-ро баланд кунанд, аммо қисми онҳо аз ҷиҳати бехатарии таркиши H₂/O₂ амалан истифода нашаванд. Ин график равшан нишон медиҳад, ки байни фаъолияти биологӣ ва бехатарӣ мувозинати ҳатмии муҳандисӣ вуҷуд дорад.

Стратегияҳои таъмини газ: Модел чӣ пешниҳод мекунад?

Дар таҳқиқот барои нигоҳ доштани ҳиссаи молии оксиген дар гази баромад дар сатҳи 0,05 дар шароити бехатар се стратегияи таъмини газ моделсозӣ шудааст:

• Стратегияи танзими таркиб: Суръати ҷараёни гази тоза доимӣ нигоҳ дошта мешавад, аммо таркиби газ бо вақт тағйир дода мешавад.
• Стратегияи танзими ҷараён: Таркиби гази тоза доимӣ нигоҳ дошта мешавад, аммо суръати ҷараёни гази тоза зиёд мешавад.
• Стратегияи якҷоя: Аввал таркиби гази тоза танзим мешавад, пас аз ба сифр расидани ҷараёни purge суръати ҷараёни гази тоза зиёд карда мешавад.

Дар стратегияи танзими таркиб максимуми биомасса 2,0 g L^-1 пешгӯӣ шудааст. Ин нисбат ба фаъолияти таҷрибавии ALR афзоиши %194 мебошад. Дар стратегияи танзими ҷараён максимуми биомасса 2,1 g L^-1 пешгӯӣ шуда, нисбат ба фарҳанги таҷрибавӣ афзоиши %208 гузориш шудааст. Стратегияи якҷоя беҳтарин натиҷаро дод: максимуми биомасса 2,3 g L^-1 пешгӯӣ шуда, нисбат ба натиҷаи таҷрибавӣ афзоиши %238 нишон медиҳад.

Аммо ин натиҷаҳо таҷрибавӣ санҷида нашудаанд. Модел ба kLa-и абиотикии ALR такя мекунад. Худи таҳқиқот низ қайд мекунад, ки kLa-и абиотикӣ метавонад шароити воқеии биологиро аз ҳад хушбинона намояндагӣ кунад. Аз ин рӯ, ибораи афзоиши %238 «муваффақияти қатъии таҷрибавӣ» нест, балки беҳбудии эҳтимолие мебошад, ки модел дар зери фарзияҳои муайян нишон медиҳад.

Шакли 7 чиро нишон медиҳад?

Шакли 7 таъсири се стратегияи таъмини газро бо вақт дар графикҳои бисёрпанелӣ нишон медиҳад. Дар қатори боло биомасса ва оксигени ҳалшуда, дар қаторҳои поён ҷараёнҳои гази тоза ва purge, ҳиссаҳои молии гази воридшаванда ва ҳиссаҳои молии гази хориҷшаванда ҷойгиранд. Дар стратегияи якҷоя хати амудии кандашуда нуқтаеро нишон медиҳад, ки назорат аз танзими таркиб ба танзими ҷараён мегузарад.

Ин графикҳо нишон медиҳанд, ки назорати таъмини газ масъалаи динамикӣ аст. Бо зиёд шудани шумораи ҳуҷайраҳо истеъмоли газ низ меафзояд; бинобар ин, таркиби газе, ки дар оғоз мувофиқ буд, баъдтар метавонад нокифоя гардад. Аз ин рӯ, ба ҷойи рецепти доимии газ, танзими таркиб ва ҷараён бо пешрафти афзоиш метавонад натиҷаи беҳтар диҳад.

Шакли 8 чиро нишон медиҳад?

Шакли 8 тағйири табдили гидрогенро бо вақт барои се стратегия нишон медиҳад. Дар стратегияи танзими ҷараён табдили H₂ танҳо тақрибан ба %16 мерасад. Дар стратегияи танзими таркиб тақрибан %70 ва дар стратегияи якҷояи таркиб + ҷараён тақрибан %72 табдили H₂ гузориш шудааст. Ин фарқ бо он шарҳ дода мешавад, ки дар баъзе стратегияҳо ҷараёни purge пас аз 28 соат ба сифр мерасад. Вақте purge кам мешавад, қисми зиёди гидрогени додашуда ё аз ҷониби ҳуҷайраҳо истеъмол мешавад, ё дар ҳалқаи гардиши дубора нигоҳ дошта мешавад.

Ин натиҷа аз нуқтаи назари иқтисоди процесс хеле муҳим аст. Гидроген, махсусан вақте аз манбаъҳои барқароршаванда истеҳсол мешавад, ашёи арзишманд ва гарон мебошад. Ҳатто агар афзоиши биомасса ба даст ояд, агар қисми зиёди гидроген бе истифода партофта шавад, низом аз ҷиҳати иқтисодӣ заиф мешавад. Аз ин рӯ, яке аз паёмҳои қавии таҳқиқот ин аст, ки стратегияи таъмини газ на танҳо барои афзоиши биологӣ, балки барои самаранокии истифодаи H₂ низ муҳим мебошад.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Муқоисаи таҷрибавӣ: STR, ALR ва TFR дар як контексти биологӣ муқоиса шудаанд.
• Истифодаи ду шароити афзоиш: Шароити гетеротрофӣ ва автотрофӣ ҷудогона арзёбӣ шудаанд.
• Дар марказ гузоштани интиқоли газ-моеъ: Таҳқиқот фаъолияти биологиро якҷоя бо муҳандисии реактор баррасӣ мекунад.
• Далелҳои визуалӣ ва таҷрибавӣ: Схемаи реактор, каҷҳои афзоиш, тасвири биофилм ва графикҳои модел якҷоя арзёбӣ шудаанд.
• Илова кардани таҳлили моделӣ: Афзоиши автотрофӣ, гардиши дубораи газ ва стратегияҳои таъмини газ бо модели математикӣ тафсир шудаанд.
• Ба назар гирифтани бехатарӣ: Маҳдудияти таркиби бехатари газ аз сабаби хатари таркиши омехтаҳои H₂/O₂ равшан баррасӣ шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Ҳолати баррасии ҳамтоён: Таҳқиқот preprint-и аз баррасии ҳамтоён нагузашта мебошад.
• Маҳдуд будани натиҷаҳои автотрофӣ: Бартарии интизоршудаи ALR ва TFR дар шароити автотрофӣ пурра таҷрибавӣ нишон дода нашуд.
• Биофилм ва агломератсияи ҳуҷайраҳо: Дар ALR биофилм мушоҳида шуд, ки метавонад ченкунии биомасса ва интиқоли газро таъсир диҳад.
• Мушкилоти назорати ҳарорат: Дар TFR аз сабаби гармии насоси гардиш ҳароратҳои қуллавии 33–40 °C ба вуҷуд омаданд.
• Таркиби газ бо сабаби бехатарӣ ғайриоптималӣ аст: Таносубҳои оксигене, ки аз ҷиҳати биологӣ беҳтар буда метавонистанд, барои бехатарӣ истифода нашуданд.
• Натиҷаҳои модел санҷиши таҷрибавӣ нестанд: Афзоишҳои %194–%238, ки бо стратегияҳои таъмини газ пешгӯӣ шудаанд, ба симулятсия асос ёфтаанд.
• Номуайянии kLa-и абиотикӣ: Арзишҳои абиотикии kLa метавонанд интиқоли самараноки газро дар шароити воқеии биологӣ аз ҳад баланд нишон диҳанд.
• Scale-up мустақиман исбот нашудааст: Таҳқиқот муваффақияти истеҳсоли доимӣ дар миқёси саноатиро нишон намедиҳад.

Таҳқиқот чӣ мегӯяд ва чӣ намегӯяд?

Таҳқиқот чунин мегӯяд: Реактори ҷараёни Taylor метавонад дар культиватсияи гетеротрофии Cupriavidus necator бо kLa-и баланд маҳдудияти оксигенро пешгирӣ карда, нисбат ба STR ва ALR биомассаи хеле баландтар диҳад. Илова бар ин, дар биотабдили CO₂ бо дастгирии H₂ бояд тарҳи реактор, интиқоли массаи газ-моеъ, гардиши дубораи газ ва стратегияи таъмини газ якҷоя баррасӣ шаванд. Натиҷаҳои модел нишон медиҳанд, ки ҳатто дар шароити бехатар бо назорати мувофиқи таркиб ва ҷараён истеҳсоли биомассаи автотрофиро зиёд кардан мумкин аст.

Таҳқиқот чунин намегӯяд: Он исбот намекунад, ки ALR ё TFR дар ҳамаи шароитҳо аз STR беҳтар аст. Дар таҷрибаҳои автотрофӣ ин бартарӣ пурра пайдо нашуд. Таҳқиқот ҳамчунин намегӯяд, ки истеҳсоли иқтисодӣ ва бехатари CO₂ дар миқёси саноатӣ аллакай омода аст. Беҳбудиҳои баланди пешгӯишудаи модел низ бе санҷиши таҷрибавӣ набояд ҳамчун натиҷаи қатъӣ арзёбӣ шаванд.

Аҳамият аз нуқтаи назари гузашта, имрӯз ва оянда

Дар гузашта реакторҳои зарфи омехташаванда дар биопроцессҳо стандарти маъмул буданд. Ин низомҳо чандир, хуб омӯхташуда ва назоратшавандаанд. Аммо дар процессҳое, ки бо газҳои камҳалшаванда кор мекунанд, омехтани механикӣ метавонад танҳо кофӣ набошад ё энергияҳои баланд талаб кунад. Аз ин рӯ, низомҳои пуршиддат ба монанди airlift ва Taylor flow барои потенсиали баланд кардани интиқоли газ аҳамият пайдо кардаанд.

Имрӯз арзёбии дубораи CO₂, истифодаи гидрогени барқароршаванда ва рушди роҳҳои истеҳсоли кимиёвӣ берун аз манбаъҳои фоссилӣ хеле муҳиманд. Ин таҳқиқот нишон медиҳад, ки ин ҳадафҳо на танҳо ба интихоби микроорганизм, балки мустақиман ба муҳандисии реактор вобастаанд. Бактерия метавонад CO₂-ро истифода барад; аммо агар реактор H₂, CO₂ ва O₂-ро бо суръати дуруст, шакли дуруст ва дар ҳудуди бехатар ба он нарасонад, процесс маҳдуд мемонад.

Дар оянда чунин таҳқиқот метавонад ба рушди реакторҳои бехатар ва самараноктар барои истеҳсоли биополимерҳо, протеини якҳуҷайра, кимиёвии биобунёд ё метаболитҳои махсус аз CO₂ мусоидат кунад. Аммо барои ин назорати биофилм, идоракунии ҳарорат, гардиши дубораи газ, самаранокии истифодаи газ, истеъмоли энергия ва feasibility-и иқтисодӣ бояд якҷоя оптимизатсия шаванд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Тарҳи таҷрибавии таҳқиқот

Маълумоти сохтории реакторҳо

Натиҷаҳои асосӣ дар шароити гетеротрофӣ

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки kLa-и баланди TFR дар афзоиши гетеротрофӣ мустақиман ба биомассаи баланд табдил ёфтааст. Аммо монанд будани суръатҳои ибтидоии афзоиш нишон медиҳад, ки фарқ бештар на аз иқтидори асосии афзоиши бактерия, балки аз қобилияти реактор барои идомаи таъмини оксиген дар зичии баланди ҳуҷайраҳо сарчашма мегирад.

Натиҷаҳои PHB

Натиҷаҳои асосӣ дар шароити автотрофӣ

Дар шароити автотрофӣ kLa-и баланди ALR ва TFR ба бартарии биологии интизоршуда табдил наёфт. Ин нишон медиҳад, ки интиқоли массаи газ-моеъ муҳим аст, аммо танҳо кофӣ нест. Тамоюли ташаккули биофилм, идоракунии гармӣ ва таносуби гардиши дубора/гази тоза низ ҳамон қадар муҳиманд.

Муодилаҳои асосии модел

Натиҷаҳои модели стратегияи таъмини газ

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки дар биотабдили автотрофии CO₂ ба ғайр аз интихоби реактор, стратегияи назорати газ низ омили асосӣ мебошад. Аммо ин ҷадвал пешгӯии модел аст; дар таҷрибаи воқеӣ назорати ҳарорат, биофилм, kLa-и воқеӣ, кафк, бехатарии газ ва хароҷоти scale-up низ бояд арзёбӣ шаванд.

Шарҳи кӯтоҳи натиҷаҳои умумӣ

• Дар афзоиши гетеротрофӣ kLa-и баланди TFR мустақиман ба биомассаи баланд табдил ёфт.
• Дар афзоиши автотрофӣ kLa-и баланд танҳо кофӣ набуд; биофилм, ҳарорат ва маҳдудиятҳои таъмини газ фаъолиятро пахш карданд.
• ALR дорои қувваи shear паст ва тарҳи содда аст, аммо дар ин таҳқиқот аз сабаби агломератсияи ҳуҷайраҳо ва биофилм ба мушкилоти ченкунӣ ва интиқол дучор шуд.
• TFR аз ҷиҳати интиқоли газ қавӣ аст, аммо дар низоми 19 L назорати гармии аз насос сарчашмагирифта дар афзоиши автотрофӣ ба маҳдудкунандаи муҳим табдил ёфт.
• Моделсозӣ нишон дод, ки таносуби гази тоза/гардиши дубора ва танзими таркиби газ барои биомасса ва табдили H₂ муайянкунандаанд.
• Бехатарии H₂/O₂ ба андозаи фаъолияти биологӣ маҳдудияти муҳими тарҳрезӣ мебошад.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Ин мақола бар асоси таҳқиқоти “Enhancing H2-Driven CO2 bioconversion through Airlift and Taylor Flow bioreactors: experimental comparison and model-based analysis”, ки аз ҷониби Pedro Cruz, Paz Torres-Praderio, Felipe Scott ва Alberto Vergara-Fernandez омода шудааст, таҳия гардидааст. Таҳқиқот як мақолаи preprint дар SSRN мебошад ва азбаски дар матн ба таври равшан ибораи “This preprint research paper has not been peer reviewed” мавҷуд аст, аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст.

Ин мундариҷа бар асоси муқоисаҳои таҷрибавии реакторҳо, культиватсияи Cupriavidus necator H16, натиҷаҳои афзоиши гетеротрофӣ ва автотрофӣ, арзёбии интиқоли массаи газ-моеъ, муодилаҳои модел, таҳлили гардиши дубораи газ ва симулятсияҳои стратегияи таъмини газ таҳия шудааст. Иддаоҳои дар таҳқиқот мавҷуднабуда, аз қабили муваффақияти миқёси тиҷоратӣ, қобилияти қатъии татбиқи саноатӣ, кафолати бехатарӣ ё умумият ба ҳамаи низомҳои биотабдили CO₂ илова карда нашудаанд.

Қисми таҷрибавии таҳқиқот ба дастгоҳҳои муайяни STR, ALR ва TFR маҳдуд аст. Дар шароити гетеротрофӣ TFR биомассаи баланд истеҳсол кард; аммо дар шароити автотрофӣ бартарии интизоршудаи ALR ва TFR пурра ба вуҷуд наомад. Ин ҳолат бо ташаккули биофилм, агломератсияи ҳуҷайраҳо, мушкилоти назорати ҳарорат, таркиби бехатар, вале аз ҷиҳати биологӣ маҳдудкунандаи газ ва таносуби баланди гардиши дубора/гази тоза шарҳ дода шудааст.

Бахши моделсозии математикӣ барои тафсири натиҷаҳои таҷрибавӣ ва арзёбии назариявии стратегияҳои алтернативии таъмини газ пешбинӣ шудааст. Афзоиши биомасса ва арзишҳои табдили H₂, ки модел пешгӯӣ мекунад, бояд на ҳамчун санҷиши мустақими таҷрибавӣ, балки ҳамчун натиҷаҳои симулятсионӣ дар зери фарзияҳои муайян хонда шаванд. Бахусус дар таҳқиқот равшан баррасӣ шудааст, ки арзишҳои абиотикии kLa метавонанд интиқоли самараноки газро дар шароити воқеии культиватсияи биологӣ аз ҳад баланд нишон диҳанд.

Аз сабаби preprint будан, натиҷаҳо бояд эҳтиёткорона арзёбӣ шаванд. Таҳқиқот потенсиали тарҳҳои пуршиддати реакторҳо ба монанди ALR ва TFR-ро барои биотабдили CO₂ бо дастгирии H₂ нишон медиҳад; аммо барои scale-up фаъолияти биологӣ, самаранокии интиқоли газ-моеъ, эҳтиёҷи энергия, бехатарӣ ва feasibility-и техноиқтисодӣ бояд якҷоя оптимизатсия шаванд.