فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:215
پایان نامه دوره دکتری رشته مهندسی شیمی گرایش بیوتکنولوژی
فهرست مطالب:
چکیده ب
واژگان کلیدی ب
فهرست مطالب ت
لیست جدول ها ذ
لیست شکل ها ز
لیست تصویرها ض
لیست علایم و اختصارات ط
1 فصل اول: مقدمه 1
1-1 مقدمه 1
1-2 سوختهای بیولوژیکی 2
1-3 روشهای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم 4
1-3-1 فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس 6
1-3-1-1 تبدیل به گاز کردن بیومس 6
1-3-1-2 تخمیر گاز سنتز 9
1-4 مزیتهای بیوکاتالیستها 10
1-5 تولید اتانول به عنوان سوخت بیولوژیکی 11
1-6 طرح مساله و ضرورت انجام پروژه 14
1-7 اهداف کلی پروژه 14
1-8 اهداف و چهارچوب پروژه 15
1-9 تقسیم بندی فصول پایان نامه 17
2 فصل دوم: مروری بر متون علمی 19
2-1 مقدمه 19
2-2 واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز 20
2-3 باکتریهای استوژنیک 29
2-3-1 کلستریدیوم لانگالی 34
2-4 مسیر متابولیکی استوژنها 36
2-5 عوامل موثر در تخمیر گاز سنتز 42
2-5-1 تاثیر ترکیب محیط کشت 42
2-5-2 تاثیر منبع آلی 46
2-5-3 تاثیر pH محیط کشت 49
2-5-4 تاثیر عامل کاهنده 51
2-5-5 تاثیر عناصر جزئی 54
2-5-6 اثرات بازدارندگی در محیط تخمیر 56
2-5-7 محدودیتهای انتقال جرم 58
2-5-8 تاثیر فشار سوبسترای گازی 64
3 فصل سوم: مواد مورد نیاز و روش کار 68
3-1 مقدمه 68
3-2 باکتری کلستریدیوم لانگالی 69
3-3 محیط کشت باکتری لانگالی 70
3-3-1 ترکیبات محیط کشت مایع 72
3-3-1-1 محلول عناصر جزئی 72
3-3-1-2 محلول ویتامین ولف 72
3-3-1-3 محلول عوامل کاهنده 73
3-4 روش تهیه محیط کشت مایع 73
3-4-1 روش تهیه محیط کشت جامد 75
3-5 نحوه تکثیر باکتری لانگالی 75
3-6 آزمایشهای ناپیوسته کشت لانگالی 79
3-6-1 رشد باکتری با سوبسترای آلی 79
3-6-1-1 تاثیر نوع سوبسترای آلی 79
3-6-1-2 تاثیر غلظت سوبسترای آلی 80
3-6-2 رشد باکتری با گاز سنتز 81
3-6-2-1 تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH اولیه محیط کشت 81
3-6-2-2 تاثیر فشار اولیه گاز سنتز در بیوراکتورهای ناپیوسته 83
3-7 آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز 84
3-7-1 تاثیر نرخ رقیق سازی 87
3-7-2 تاثیر شدت جریان گاز سنتز و دور همزن 88
3-8 آنالیز نتایج 88
3-8-1 اندازه گیری دانسیته سلولی 88
3-8-2 آنالیز فروکتوز و گلوکز در محیط کشت 90
3-8-3 آنالیز نمونه های مایع برای اتانول و استات 93
3-8-4 آنالیز نمونه های گاز 94
3-9 مدلهای کینتیکی و روش به دست آوردن آنها 95
3-9-1 کینتیک رشد سلول 95
3-9-2 محاسبات انتقال جرم 98
3-9-2-1 انتقال جرم در سیستم ناپیوسته 98
3-9-2-2 انتقال جرم در سیستم پیوسته 100
3-9-3 نرخ واکنش 102
4 فصل چهارم: نتایج آزمایشها و تحلیل داده ها 103
4-1 مقدمه 103
4-2 تاثیر سوبسترای آلی 104
4-2-1 رشد سلول و مصرف سوبسترا 104
4-2-2 مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای لانگالی 108
4-2-3 تولید محصول 111
4-2-4 تاثیر غلظت فروکتوز 115
4-2-4-1 رشد سلول 115
4-2-4-2 تولید محصول 118
4-3 تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH 122
4-3-1 رشد سلول 123
4-3-2 مصرف سوبسترای گازی 125
4-3-3 تولید اتانول و استات 129
4-3-4 بازده محصول 133
4-4 مطالعات کینتیکی 135
4-4-1 کینتیک رشد سلول 136
4-4-2 کینتیک مصرف سوبسترای گازی 145
4-4-3 بررسی کینتیک نرخ مصرف سوبسترای گازی و انتقال جرم 147
4-4-4 کینتیک مصرف سوبسترا 152
4-5 آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور 154
4-5-1 تاثیر نرخ رقیق سازی 154
4-5-1-1 دانسیته سلولی و pH محیط کشت 155
4-5-1-2 مصرف سوبسترای گازی 157
4-5-1-3 تولید محصول 158
4-5-2 تاثیر شدت جریان گاز و دور همزن 159
4-5-2-1 مصرف سوبسترای گازی 160
4-5-2-2 تولید محصول 162
4-5-2-3 ضریب انتقال جرم در بیوراکتور 163
4-5-2-4 بازده محصول 169
5 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 172
5-1 نتیجه گیری از آزمایشها 172
5-2 ارائه پیشنهادات برای طرحهای آتی 175
پیوست الف 177
پیوست ب 181
6 مراجع 187
ABSTRACT 194
لیست جدول ها
جدول 2 1: میکروبهای مختلف برای تخمیر سوبسترای گازی به سوختهای بیولوژیکی 21
جدول 2 2 : تولید هیدروژن با استفاده از باکتریهای هیدروژنوژنیک 26
جدول 2 3 : تولید سوختهای بیولوژیکی با استفاده از باکتریهای استوژنیک 30
جدول 3 1: ترکیبات شیمیائی و بیوشیمیائی مورد استفاده در محیط کشت باکتری لانگالی 71
جدول 3 2: محیطهای کشت مختلف برای بررسی تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH محیط کشت 83
جدول 4 1: بازده مصرف سوبسترا، رشد سلول و تولید محصول در باکتری لانگالی رشد داده شده با سوبستراهای آلی مختلف 114
جدول 4 2: پارامترهای کینتیکی بر اساس مدل ولترا برای رشد لانگالی با غلظتهای مختلف فروکتوز 117
جدول 4 3: بازده مصرف سوبسترا، رشد سلول و تولید محصول در باکتری لانگالی رشد داده شده با غلظتهای مختلف فروکتوز 121
جدول 4 4: پارامترهای مربوط به بازده در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده و pH اولیه مختلف محیط کشت 135
جدول 4 5: پارامترهای کینتیکی به دست آمده بر اساس مدل ولترا برای رشد سلول لانگالی روی گاز سنتز 137
جدول 4 6: مدلهای کینتیکی مختلف بر اساس سوبسترای تکی برای ارائه مدل رشد با سوبسترای دوتایی 141
جدول 4 7 : مدلهای رشد بسط داده شده بر اساس سوبسترای دوتایی برای توصیف کینتیک رشد لانگالی روی CO و H2، پارامترهای کینتیکی و SSD 145
جدول 4 8: ضرایب انتقال جرم محاسبه شده در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته 149
جدول 4 9: پارامترهای بیوکینتیکی محاسبه شده از مدل گمپرتز اصلاح شده برای تولید محصول 154
جدول 4 10: روابط تجربی برای پیش بینی ضریب انتقال جرم حجمی به شکل معادله (4-29) 165
جدول 4 11: ضرایب انتقال جرم H2 و CO محاسبه شده و نرخ واکنش در دورهای مختلف همزن بیوراکتور.. 168
جدول 4 12: پارامترهای مربوط به بازده در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط باکتری لانگالی در شدت جریانهای گاز مختلف و دور همزن متفاوت 171
جدول ب-1: ضرایب انتقال جرم محاسبه شده و تجربی برای CO در دورهای مختلف همزن........................190
لیست شکل ها
شکل 1 1: نمایی کلی از مواد اولیه مناسب برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم 4
شکل 1 2: شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی 8
شکل 1 3 : تولید جهانی اتانول بیولوژیکی در سالهای 2008-2000 12
شکل 2 1: میکروگراف TEM باکتری کلستریدیوم لانگالی 34
شکل 2 2: مسیر متابولیکی استیل-کو آنزیم A برای باکتریهای استوژنیک 38
شکل 3 1: نمایی شماتیک از سیستم پیوسته در فرایند تخمیر گاز سنتز 84
شکل 3 2: منحنی کالیبراسیون برای محاسبه دانسیته سلولی باکتری لانگالی 90
شکل 3 3: منحنی کالیبراسیون برای فروکتوز 92
شکل 3 4 : منحنی کالیبراسیون برای گلوکز 92
شکل 4 1: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با فروکتوز 105
شکل 4 2: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با گلوکز 105
شکل 4 3: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با اتانول 106
شکل 4 4: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با استات 107
شکل 4 5: مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای رشد هتروتروفیک باکتری لانگالی و تولید محصول 109
شکل 4 6: استفاده از مدل ولترا برای توصیف رشد سلول در غلظتهای مختلف فروکتوز 116
شکل 4 7: تولید استات در محیط کشت توسط باکتری لانگالی در غلظتهای مختلف فروکتوز 119
شکل 4 8: تولید اتانول در محیط کشت توسط باکتری لانگالی در غلظتهای مختلف فروکتوز 120
شکل 4 9: نسبت تولید اتانول به استات در باکتری لانگالی با استفاده از غلظتهای مختلف فروکتوز 122
شکل 4 10: منحنی رشد سلول باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5 124
شکل 4 11: مصرف سوبسترای گازی (الف) H2 و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 8/6 126
شکل 4 12: مصرف سوبسترای گازی (الف) H2 و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 9/5 127
شکل 4 13: تولید اتانول توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5 130
شکل 4 14: تولید استات توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5 131
شکل 4 15: رابطه استوکیومتری (4-13) برای تولید اتانول و استات از H2 و CO 134
شکل 4 16: استفاده از مدل ولترا برای توصیف پروفایل رشد سلولی در فشارهای مختلف گاز 136
شکل 4 17: رشد سلول به صورت تابعی از H2 و CO مصرف شده در فشار اولیه 0/1 اتمسفر 139
شکل 4 18: تعیین نرخ رشد ویژه لانگالی روی گاز سنتز در فشار 0/1 اتمسفر 143
شکل 4 19: نرخ رشد ویژه پیش بینی شده از معادله (4-20) که با یافته های آزمایشگاهی تطابق داده شد 144
شکل 4 20: تغییرات فشار جزئی CO اندازه گیری شده در فاز گاز (شکل داخلی) و فشار محاسبه شده CO در فاز مایع در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته 147
شکل 4 21: تغییرات فشار CO در فاز گاز و مایع در طول فرایند تخمیر در فشار 0/1 اتمسفر بیوراکتور 150
شکل 4 22: مدل خطی و درجه دوم اندرو برای مصرف CO توسط باکتری لانگالی در فشارهای مختلف 151
شکل 4 23: مدل گمپرتز اصلاح شده برای تولید الف) اتانول و ب) استات در فشارهای مختلف گاز سنتز توسط لانگالی 153
شکل 4 24: رشد سلولی و تغییرات pH در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف با شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm) 156
شکل 4 25: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm) 157
شکل 4 26: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm) 159
شکل 4 27: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی 018/0 بر ساعت 161
شکل 4 28: تاثیر شدت جریان گاز روی میزان تبدیل CO در دورهای مختلف همزن 161
شکل 4 29: تاثیر دور همزن روی میزان تبدیل CO در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز 162
شکل 4 30: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی 018/0 بر ساعت 163
شکل 4 31: ضرایب انتقال جرم در بیوراکتور در شرایط پایدار برای CO 167
شکل 4 32: ضرایب انتقال جرم در بیوراکتور در شرایط پایدار برای H2 167
شکل 4 33: رابطه استوکیومتری (4-13) برای تعیین بازده اتانول و استات تولید شده از H2 و CO در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط لانگالی برای شدت جریانهای گاز 170
شکل الف-1: مونوگرام GC مربوط به گاز استاندارد حاوی 30% CO، 30% H2، 30% CO2 و 10% Ar............182
شکل الف-2: مونوگرام GC مربوط به گاز سنتز مصرف شده در سرم باتل......................................................182
شکل الف-3: مونوگرام GC مربوط به گاز سنتز خروجی از بیوراکتور.............................................................183
شکل الف-4: مونوگرام GC محلول استاندارد مایع حاوی 0/1 گرم بر لیتر اتانول، استون و استات همراه با
2-پنتانون به عنوان استاندارد......................................................................................................................183
شکل الف-5: مونوگرام GC مربوط به محصولات آزمایش ناپیوسته در سرم باتل همراه با 2-پنتانون به عنوان استاندارد........................................................................................................................................184
شکل الف-6: مونوگرام GC مربوط به محصولات آزمایش پیوسته در بیوراکتور همراه با 2-پنتانون به عنوان استاندارد........................................................................................................................................184
شکل ب-1: ترسیم رابطه خطی (ب-4) برای یافته های آزمایشگاهی در شدت جریانهای مختلف گاز..............189
لیست تصویرها
تصویر 3 1: آمپول حاوی باکتری کلستریدیوم لانگالی ATCC 55383 69
تصویر 3 2: نحوه وارد کردن گاز به داخل سرم باتل 74
تصویر 3 3: محفظه بی هوازی همراه با کپسول نیتروژن برای ایجاد شرایط بی هوازی 76
تصویر 3 4: باکتری لانگالی رشد داده شده روی پلیت آگار 78
تصویر 3 5: باکتری رشد کرده در محیط کشت مایع (سرم باتل سمت راست) و محیط کشت تازه بدون باکتری (سرم باتل سمت چپ) 78
تصویر 3 6: محیط کشت استریل همراه با تدلار بگ و جریان ورودی به بیوراکتور 86
تصویر 3 7: نمایی از سیسستم پیوسته در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری لانگالی 87
چکیده
کلستریدیوم لانگالی یک باکتری استوژن به شدت بی هوازی است که می تواند روی اجزای گاز سنتز یعنی CO و H2/CO2 رشد کرده و در دما و فشار محیطی آنها را به اتانول و استات تبدیل کند. در طی این فرایند باکتری مسیر متابولیکی پیچیده ای از خود نشان می دهد که هر دو فاز استوژنیک (تولید اسید) و سالونتوژنیک (تولید حلال) را شامل می شود. در فرایند رشد هتروترفیک این باکتری تاثیر سوبستراهای آلی مختلف (فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات) روی آغاز شیفت متابولیکی به سمت فاز تولید الکل بررسی گردید. نتایج فرایند تخمیر ناپیوسته نشان داد که استفاده از فروکتوز به عنوان سوبسترای آلی منجر به تولید نسبت مولی یکسان از اتانول (1/27 میلی مول در لیتر) و استات (3/26 میلی مول در لیتر) شد. در فرایند رشد اتوتروفیک باکتری با گاز سنتز به منظور کم کردن پتانسیل کاهشی محیط کشت و تغییر مسیر جریان الکترونها به سمت فاز تولید الکل، محلولهای کاهنده متفاوت (سدیم سولفید و/ یا سیستئین اسیدی با غلظتهای مختلف) در pH های اولیه مختلف (8/6 یا 9/5) محیط کشت در بیوراکتورهای ناپیوسته استفاده شدند. بیشترین نسبت مولی تولید اتانول به استات (65/0) در محیط کشت حاوی 07/5 میلی مول در لیتر سیستئین اسیدی و در pH اولیه 9/5 حاصل گردید که این مساله احتمالا به حضور الکترونهای بیشتر در این محیط مربوط می شد. برای تعیین پارامترهای بیوکینتیکی مربوط به نرخ رشد، مصرف سوبسترا و تولید محصول فرایند تخمیر گاز سنتز در بیوراکتورهای ناپیوسته با فشارهای مختلف گاز سنتز انجام گرفت. برای توصیف کینتیک نرخ رشد باکتری روی اجزای گاز سنتز (CO و H2) یک مدل رشد کینتیکی بر اساس سوبسترای دوتایی با استفاده از مدل لانگ برای CO و مونود برای H2 بسط داده شد. این مدل همچنین می توانست اثرات بازدارندگی CO در فشارهای بالا را روی رشد سلولها پیش بینی کند. مدلهای کینتیکی ولترا، اندرو و گمپرتز اصلاح شده نیز برای توصیف رشد سلول، مصرف سوبسترا و تولید محصول استفاده شدند. فرایند پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور همزده دو لیتری انجام گرفت. تاثیر پارامترهای عملیاتی مختلف همچون نرخ رقیق سازی مایع، شدت جریان گاز سنتز به درون بیوراکتور و دور همزن روی عملکرد محیط کشت بررسی شد. بیشترین نرخ تولید ویژه (0048/0 مول بر گرم سلول بر ساعت)، بازده محصول (178/0 مول محصول به ازای هر مول سوبسترا) و نسبت مولی تولید اتانول به استات 73/0 (با 30 و 41 میلی مول در لیتر اتانول و استات) در نرخ رقیق سازی مایع 018/0 (بر ساعت)، شدت جریان گاز 12 (میلی لیتر بر دقیقه) و دور همزن 500 (rpm) حاصل گردید.
واژگان کلیدی
اتانول، استات، کلستریدیوم لانگالی، تخمیر گاز سنتز