在米曲霉的生长温度研究蜀黍稻草填充床固态发酵罐(PBSSF)——一个建模方法

文摘

模型荷兰国际集团(ing)的固态发酵罐(SSF)理解生物过程中起着至关重要的作用,设计和开发。填充层固态发酵罐(PBSSF)显示某些指定的应用程序在另一个类型的社保基金。本专栏的总体效率主要取决于内部的温度梯度形式列。模型荷兰国际集团(ing)发酵罐的设计是一个很好的工具。在这个研究工作动力和集总热传输模型用于模拟PBSSF微生物增长。在目前的工作中,米曲霉生长在高梁稻草,然后实验结果验证通过检查满意的符合集总模型。

关键字

填充层固态发酵罐(PBSSF),动力学和传热模型,博学的,米曲霉。

介绍

固态发酵(SSF)涉及微生物的生长,主要是真菌(1在水不溶性基质没有免费的水。社保基金是非常复杂的过程,关闭过程变量监测和控制是必需的。社保基金流程效率取决于系统的三个关键组件之间的接口:生物反应器、底物和微生物(2,3)在最近的十年中,社保基金经历了新一轮的到期利息许多潜在优势的生物处理与深层发酵相比(SmF)。这些优势包括生物反应器体积小,减少下游加工成本,卓越的生产力,更简单的技术,减少能源需求,低废水输出(4]。与其他类型的社保基金相比,PBSSF显示了更好的过程经济学和甚至在PBSSF装卸是很容易的。PBSSF是一个圆柱形容器穿孔基地和半球形封头。PBSSF很容易制造另一个社保基金的相比,但流程变量非常难以控制。PBSSF可实现大床的高度,空气强制通过床的底部5,7]。在PBSSF氧气供应限制(8- - - - - -9内)温度变化形成PBSSF列是非常严重的技术问题。这些列内的温度变化影响微生物的生长。动力学模型显示这些温度变化对微生物生长的影响。热内生成的列将被强制曝气消散了高温顶部的列。洗澡出版社(10)表明,蜀黍秸秆C: N比率高于18,因此是合适的衬底的社保基金。在当前工作温度变化对高梁米曲霉的生长研究了稻草。

实验

PBSSF是所示的实验装置图1。它由一个圆柱形单元(1)容量为11.9升。这是42厘米的垂直圆柱内部直径19厘米。材料用于发酵罐系统的建设是ss - 304。发酵罐的基础是由金属丝网与空气分配器(2)促进曝气。填充床充气通过空气过滤器是一个恒定的速度为70米/人力资源。床由热电偶装PT100温度测量(3)放置在不同的轴向位置和记录的数据采集系统(4)。

材料和方法

原料预处理

测量数量的蜀黍稻草被混合器和筛选的筛孔尺寸36的利用率。材料与水混合,产生的厚浆预处理的高压釜0.5人力资源1条。混合物逐渐允许冷却到环境温度,然后干对流烤箱保持整体含水率在60% - 65%的范围。

剂制备

米曲霉器皿的孢子接种Czapekdox培养基中蔗糖作为碳源和孵化48小时30°C。孵化后5% v / w培养液接种在衬底预处理。

材料特性

大部分属性填充层的衬底,如孔隙度、使用pcynometer真密度和体积密度测定。碎蜀黍稻草是15分钟使用蒸馏水和干过夜。这是填补了pcynometer。甲苯的体积需要填满所有毛孔(两个相邻颗粒之间的空间)测量。基于实验中,真实和大部分属性确定如下。

床上孔隙度[11]

床上孔隙度(ε)12)使用后的衬底计算方程

.................. (1)

在那里,ρ_b体积密度和ρ_t是真正的床的密度。

体积(13)是计算后的关系

............. (2)

其中M_t比重瓶的质量充满了甲苯、米_ps比重瓶和样本的质量,米_p比重瓶的质量,米_分pynometer充满了甲苯的质量和样品andρ吗_托尔甲苯的密度。在计算体积(V)之后,真正的密度可以计算遵循关系

...................... (3)

初始生物量计算

生物量从培养液过滤用de-ionized水彻底清洗和干燥托盘干燥60 oc 48小时。干生物量是定期进行权衡的时间(2小时)48小时。4连续间隔之间的恒重价值被认为是最终生物量浓度。

数学模型

尽管数学和许多非结构化模型简单,他们预测只有足够近似的整个生长曲线的三个阶段包括滞后指数增长和平稳阶段和排除死亡阶段的完整表示14]。

在目前的研究中,米曲霉的生长动力学的蜀黍稻草批生物反应器与温度相关的利率预测行为滞后,指数增长平稳阶段强调死亡阶段。增长率的模型描述相关性反应堆温度已经被设计为动能和运输模型。集总模型方法后面跟着Fanaei[14]已被用于调查生长动力学和传热动力学。动力学模型描述微生物受到各种工艺参数的影响,而传输模型描述内的质量和温度资料填充床生物反应器系统。在当前工作Fanaei和Vaziri开发模型是适合生成的实验数据在米曲霉生长在高粱二色的(瑞草)

动力学模型

中使用的参数值动能和集总传热模型给出了表1(14,15,17,19]。米曲霉生长动力学模型对高粱biocolour(瑞草)如下:

............... (4)

,X, X_米Φ和生物量浓度,最大生物量浓度和生理因素的水平。生理因素意味着生理状态的生物发酵过程中,温度的函数。其价值仍然是大约等于1时表明的生物量增长对经济增长的影响可以忽略不计的温度范围。μ是特定的速率常数和计算方程(6)。

空气的热容(Cpa)

热容(15]的空气(J kg-1oc-1) 30 oC使用相关性计算

................. (5)

,注册会计师是空气的热容和T进气温度。

比生长速率常数(16)计算遵循关系

............. (6)

,年代比生长速率的敏感性,达峰时间和Topt是最大和最适温度对微生物生长和μ_选择是最优比生长速率常数。

动态传热模型

集中动态传热模型表达(14),如下所示

.......... (7)

结果与讨论

在本研究被认为最佳的生长动力学进行了水分活度对增长和含水率对经济增长的影响是微不足道的。本研究中使用的实验数据是由实验决定的。几个参数的值如孔隙度、基质密度、真密度、初始生物量由实验给出了表2。

米曲霉的生长的最适温度是30度。实验数据生成适合一个社保基金的过程的传热模型。这项工作中所使用的发酵罐ss - 304,填充床柱与42厘米高度和直径19厘米。从底部发酵罐是充气。温度变化的概要文件被报道在25厘米的高度,因此,同一高度被用作生物反应器高度仿真。图2显示的预测集总传热模型(时间温度资料)与实验结果。结果表明,集总模型的预测与实验数据吻合较好。平均平方误差的总和(SSE)的集总模型的预测是4.67。

比生长速率常数μ是温度的函数。增长率和变性反应合成反应是所示图3在PBSSF热量多半以对流传输模式。视图表明生物质生长曲线显示了迟滞期高达20期间人力资源然后观察20小时45人力资源指数期及以上45小时65小时观察固定相。45小时后生长曲线斜率减小,因为这个时候温度丰富高阅读影响孢子萌发和生长。因此45小时后观察温度几乎不变65小时指示所示的固定相图2。像观察65小时后温度下降由于高孢子萌发和降低增长率标明死亡阶段。

根据米切尔DA出版社(20.,21)温度梯度形式PBSSF不可能避免,有时这些梯度可能是陡峭的端到端由于曝气。时间20到45小时温度梯度之间的陡峭。这些结果显示,这个时期微生物的代谢活动产生的热量非常高。数值解的动力学和传热模型进行STIFFBS方法在博学的6.1 -教育版本中,回归系数(r2)为0.997。这r2值显示集总模型有效地拟合实验数据。来验证提出的动力学模型的有效性Fanaei Vaziri,实验数据生成的米曲霉的生长在高梁使用稻草。所示的结果视图。从模型的预测结果,同意与实验数据相当不错。

结论

在目前的研究中,米曲霉的生长动力学的蜀黍稻草批生物反应器与温度相关的有效利率预测行为滞后,指数增长平稳阶段强调死亡阶段。动能和PBSSF集总传热模型进行了测试。温度变化的实验数据正确地安装使用这个模型。这个模型使用了新颖的方法影响当前温度的增长阶段。试图完全代表了死亡期使用特定的速率常数与温度之间的关系。

确认

作者要感谢大学拨款委员会(UGC),印度在经济上支持研究项目题为“填充层固态发酵罐温度梯度研究”。

附录a .命名法

注册会计师的空气热容(J /公斤oc)

Cps热容的衬底(J /公斤oc)

f水资源承载能力的空气(kg-water / kg-air oc)

H床层高度(米)

Ka湿空气的导热系数(J / hr oc)

Ks导热的衬底(J / hr oc)

t时间(人力资源)

T床温度(摄氏度)

初始床温度(摄氏度)

助教进气温度(摄氏度)

达峰时间增长最高温度(摄氏度)

Topt增长最适温度(摄氏度)

V_H潮湿的空气速度(米/小时)

X生物量浓度(kg-biomass / kg-substrate)

X₀初始生物量浓度(kg-biomass / kg-substrate)

X_米最大生物量浓度(kg-biomass / kg-substrate)

YQ代谢产热量系数(J / kg-biomass)

H轴向位置

身高(米)\ H床

希腊字母

ε孔隙度

λ潜在蒸发的水(J /公斤)

μ比生长速率常数(人力资源¹)

μ_选择最优比生长速率常数(人力资源¹)

ρ_一个潮湿的空气密度(公斤/米³)

ρ_年代基质密度(公斤/米³)

Ρ_t真正的密度(公斤/米³)

引用

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