Розробка методами імітаційного моделювання узагальненої моделі кінетики процесу біохімічної деструкції шкідливих речовин в умовах субстратного інгібіювання

Автор(и)

  • Ganna Bakharievа Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-0765-9943
  • Tetiana Falalieieva Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-0021-4917
  • Serhii Petrov Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0001-6500-5310
  • Iryna Mezentseva Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0001-7695-7982
  • Borys Kobylianskyi Навчально-науковий професійно-педагогічний інститут Української інженерно-педагогічної академії вул. Носакова, 9-а, м. Бахмут, Україна, 84500, Україна https://orcid.org/0000-0003-3226-5997
  • Ihor Tolkunov Національний університет цивільного захисту України вул. Чернишевська, 94, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0001-5129-3120
  • Oleksandr Bondarenko Національний університет цивільного захисту України вул. Чернишевська, 94, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0002-7544-3442

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.166571

Ключові слова:

біодеструкція, субстратне інгібіювання, система масового обслуговування, чисельний експеримент, єдина формула

Анотація

Механізм ферментативної кінетики у біоклітині моделювався багатоканальною системою масового обслуговування. Процес біодеградації з субстратним інгібіюванням математично описаний методом динаміки середніх. Отримана система диференційних рівнянь зі здалегіть не визначеним порядком n, що відповідає механізмам субстратного інгібіювання різноманітної інтенсивності. Для питомої швидкості деструкції знайдено повний спектр рішень Vn системи від мінімального порядку n=2 до граничного – n→∞. Повний спектр рішень необхідний для обгрунтованого вибору єдиної узагальнюючої формули. Встановлено, що параметри форми кривої для рішення з мінімальною інтенсивністю інгібіювання V2 суттєво вирізняються із загального ряду формул спектру.

У чисельному експерименті фізичне дослідження імітувалося описом методом найменших квадратів даних, які задаються розрахунком за формулами різноманітної структури, з урахуванням несистематичної випадкової помилки. Метод чисельного експерименту дозволив задавати варійовані параметри із заданою точністю та у широкому діапазоні, що є неможливим в умовах фізичного дослідження. Серії чисельних експериментів продемонстрували можливості формули граничного порядку Ve описувати залежності всього спектру рішень. Для критичного мінімального порядку середня відносна помилка гарантовано не перевищує п’яти відсотків. Збільшення випадкової помилки завжди призводить до статистичної рівності, у точності опису формулами мінімального V2 та граничного порядків Ve даних, які задаються розрахунком за залежністю другого порядку.

У сукупності важливість результатів чисельного моделювання фізичного експерименту полягає у доведенні можливості використання формули граничного порядку Ve у якості єдиної при описі процесів біодеструкції з різноманітними механізмами субстратного інгібіювання. Цей висновок підтверджено адекватним описом залежністю граничного порядку експериментальних даних за п’ятьма шкідливими речовинами з різноманітним ступенем інгібіювання

Біографії авторів

Ganna Bakharievа, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра охорони праці та навколишнього середовища

Tetiana Falalieieva, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра органічного синтезу та нанотехнологій

Serhii Petrov, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра органічного синтезу та нанотехнологій

Iryna Mezentseva, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра охорони праці та навколишнього середовища

Borys Kobylianskyi, Навчально-науковий професійно-педагогічний інститут Української інженерно-педагогічної академії вул. Носакова, 9-а, м. Бахмут, Україна, 84500

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра охорони праці та екологічної безпеки

Ihor Tolkunov, Національний університет цивільного захисту України вул. Чернишевська, 94, м. Харків, Україна, 61023

Кандидат технічних наук, доцент, начальник кафедри

Кафедра піротехнічної та спеціальної підготовки

Oleksandr Bondarenko, Національний університет цивільного захисту України вул. Чернишевська, 94, м. Харків, Україна, 61023

Викладач

Кафедра піротехнічної та спеціальної підготовки

Посилання

  1. Andrews, J. F. (1968). A mathematical model for the continuous culture of microorganisms utilizing inhibitory substrates. Biotechnology and Bioengineering, 10 (6), 707–723. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260100602
  2. Yano, T., Nakahara, T., Kamiyama, S., Yamada, K. (1966). Kinetic Studies on Microbial Activities in Concentrated Solutions. Agricultural and Biological Chemistry, 30 (1), 42–48. doi: https://doi.org/10.1080/00021369.1966.10858549
  3. Yano, T., Koga, S. (1969). Dynamic behavior of the chemostat subject to substrate inhibition. Biotechnology and Bioengineering, 11 (2), 139–153. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260110204
  4. Webb, J. L. (1963). Enzyme and Metabolic Inhibitors. New York: Academic Press. doi: https://doi.org/10.5962/bhl.title.7320
  5. Aiba, S., Shoda, M., Nagatani, M. (1968). Kinetics of product inhibition in alcohol fermentation. Biotechnology and Bioengineering, 10 (6), 845–864. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260100610
  6. Tseng, M. M.,Wayman, M. (1975). Kinetics of yeast growth: inhibition-threshold substrate concentrations. Canadian Journal of Microbiology, 21 (7), 994–1003. doi: https://doi.org/10.1139/m75-147
  7. Luong, J. H. T. (1987). Generalization of monod kinetics for analysis of growth data with substrate inhibition. Biotechnology and Bioengineering, 29 (2), 242–248. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260290215
  8. Tsuji, S., Shimizu, K. (1987). Performance evaluation of ethanol fermentor systems using a vector-valued objective function. Biotechnology and Bioengineering, 30 (3), 420–426. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260300313
  9. Han, K., Levenspiel, O. (1988). Extended monod kinetics for substrate, product, and cell inhibition. Biotechnology and Bioengineering, 32 (4), 430–447. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260320404
  10. Edwards, V. H. (1970). The influence of high substrate concentrations on microbial kinetics. Biotechnology and Bioengineering, 12 (5), 679–712. doi: https://doi.org/10.1002/bit.260120504
  11. Bakharevа, A., Shestopalov, O., Filenko, O., Kobilyansky, B. (2016). Development of universal model of kinetics of bioremediation stationary process with substrate inhibition. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (10 (80)), 19–26. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65036
  12. Nweke, C. O., Okpokwasili, G. C. (2014). Kinetics of growth and phenol degradation by Pseudomonas Species isolated from petroleum refinery wastewater. International Journal of Biosciences, 4 (7), 28–37. doi: https://doi.org/10.12692/ijb/4.7.28-37
  13. Prifti, T., Pinguli, L., Malollari, I. (2017). A comparative study of kinetic immobilized yeast parameters in batch fermentation processes. Europen Journal of Advanced Research in Biological and Life Sciences, 5 (3), 1–8.
  14. Ahmad, F. (2011). Study of growth kinetic and modeling of ethanol production by Saccharomyces cerevisa. AFRICAN JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY, 10 (81). doi: https://doi.org/10.5897/ajb11.2763
  15. Olivera, S. C., Stremel, D. P., Dechechi, E. C., Pereira, F. M. (2017). Kinetic Modeling of 1-G Ethanol Fermentations. Fermentation Processes, 93–117. doi: https://doi.org/10.5772/65460
  16. Dutta, K. (2015). Substrate Inhibition Growth Kinetics for Cutinase Producing Pseudomonas cepacia Using Tomato-peel Extracted Cutin. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, 29 (3), 437–445. doi: https://doi.org/10.15255/cabeq.2014.2022
  17. Tazdaït, D., Abdi, N., Grib, H., Lounici, H., Pauss, A., Mameri, N. (2013). Comparison of different models of substrate inhibition in aerobic batch biodegradation of malathion. Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 37, 221–230. doi: https://doi.org/10.3906/muh-1211-7
  18. De Prá, M. C., Kunz, A., Bortoli, M., Scussiato, L. A., Coldebella, A., Vanotti, M., Soares, H. M. (2016). Kinetic models for nitrogen inhibition in ANAMMOX and nitrification process on deammonification system at room temperature. Bioresource Technology, 202, 33–41. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.11.048
  19. Agarry, S. E., Audu, T. O. K., Solomon, B. O. (2009). Substrate inhibition kinetics of phenol degradation by Pseudomonas fluorescence from steady state and wash-out data. International Journal of Environmental Science & Technology, 6 (3), 443–450. doi: https://doi.org/10.1007/bf03326083
  20. Mounira, K. A., Serge, H., Nawel, O., Radia, C., Noreddine, K. C. (2017). Kinetic models and parameters estimation study of biomass and ethanol production from inulin by Pichia caribbica (KC977491). African Journal of Biotechnology, 16 (3), 124–131. doi: https://doi.org/10.5897/ajb2016.15747
  21. Wei, Y.-H., Chen, W.-C., Chang, S.-M., Chen, B.-Y. (2010). Exploring Kinetics of Phenol Biodegradation by Cupriavidus taiwanesis 187. International Journal of Molecular Sciences, 11 (12), 5065–5076. doi: https://doi.org/10.3390/ijms11125065
  22. Halmi, M. I. E., Shukor, M. S., Shukor, M. Y. (2014). Evoluation of several mathematical models for fitting the growth and kinetics of the Catechol-degrading Candida parapsilopsis: part 2. Journal of Environmental Bioremediation and Toxicology, 2 (2), 53–57.
  23. Day, S., Mukherjee, S. (2014). A study of the kinetic coefficients and the rate of biodegradation of phenol by indigenous mixed microbial system. African Journal of Water Conservation and Sustainability, 2 (1), 099–107.
  24. Chakraborty, B., Ray, L., Basu, S. (2015). Study of phenol biodegradation by an indigenous mixed consortium of bacteria. Indian Journal of Chemical Technology, 22 (5), 227–233.
  25. Nsoe, M. N., Kofa, G. P., Ndi, K. S., Mohammadou, B., Heran, M., Kayem, G. J. (2018). Biodegradation of Ammonium Ions and Formate During Ammonium Formate Metabolism by Yarrowia lipolytica and Pichia guilliermondii in a Batch Reactor. Water, Air, & Soil Pollution, 229 (5). doi: https://doi.org/10.1007/s11270-018-3795-0
  26. Deriase, S. F., Younis, S. A., El-Gendy, N. S. (2013). Kinetic evaluation and modeling for batch degradation of 2-hydroxybiphenyl and 2,2′-dihydroxybiphenyl byCorynebacterium variabilisSh42. Desalination and Water Treatment, 51 (22-24), 4719–4728. doi: https://doi.org/10.1080/19443994.2012.744950
  27. Raghuvanshi, S., Gupta, S. (2012). Growth kinetics of acclimated mixed culture for degradation of Isopropyl Alcohol (IPA). Journal of Biotechnology and Biomaterials, s13. doi: https://doi.org/10.4172/2155-952x.s13-002
  28. Dey, S., Mukherjee, S. (2012). Kinetic modelling for removal of m -cresol from wastewater using mixed microbial culture in batch reactor. Journal of Water Reuse and Desalination, 2 (3), 149–156. doi: https://doi.org/10.2166/wrd.2012.055
  29. Taho Hemdi, A. (2001). Vvedenie v issledovanie operaciy. Moscow, Sankt-Peterburg, Kyiv: Izdatel'skiy dom "Vil'yams", 912.
  30. Keleti, T. (1990). Osnovy fermentativnoy kinetiki. Moscow: Mir, 350.
  31. Tikhonov, A. N. (1952). Systems of differential equations containing small parameters in the derivatives. Matematicheskiy sbornik, 31 (3), 575–586. Available at: http://www.mathnet.ru/links/672ece88e3cd9c1c4e2f0a144ca1951e/sm5548.pdf
  32. Romanovskiy, Yu. M., Stepanova, N. V., Chernavskiy, D. S. (2003). Matematicheskoe modelirovanie v biofizike. Moscow, Izhevsk: Institut komp'yuternyh issledovaniy, 402.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-05-13

Як цитувати

Bakharievа G., Falalieieva, T., Petrov, S., Mezentseva, I., Kobylianskyi, B., Tolkunov, I., & Bondarenko, O. (2019). Розробка методами імітаційного моделювання узагальненої моделі кінетики процесу біохімічної деструкції шкідливих речовин в умовах субстратного інгібіювання. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(10 (99), 6–16. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.166571

Номер

Том 3 № 10 (99) (2019): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Ganna Bakharievа, Tetiana Falalieieva, Serhii Petrov, Iryna Mezentseva, Borys Kobylianskyi, Ihor Tolkunov, Oleksandr Bondarenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.