پایان نامه کارشناسی ارشد سنتز مدارهای برگشت پذیر با هدف بهینه سازی

اختصاصی از کوشا فایل پایان نامه کارشناسی ارشد سنتز مدارهای برگشت پذیر با هدف بهینه سازی دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق با عنوان سنتز مدارهای برگشت پذیر با هدف بهینه سازی به صورت کامل و با فرمت پی دی اف

چکیده:

در این گزارش ابتدا مقدمه ای از گیت های برگشت پذیر و خصوصیات آنها در فصل دوم آورده شده است و گیت های برگشت پذیر معرفی شده اند و همچنین به شرح ساخت گیت های منطقی پایه با استفاده از گیت های برشت پذیر پرداختیم.

در فصل سوم مدارهای جمع کننده و تفریق گر برگشت پذیر آورده شده اند و مقایسه ای بین کیفیت تعدادی از مدارهای جمع کننده و تفریق کننده برگشت پذیر که تاکنون ارائه شده شده ، صورت گرفته است.

در فصل چهارم الگوریتمی برای کاهش هزینه کوانتومی مدارهای برگشت پذیر معرفی شده است و در فصل پنجم نتیجه گیری از گزارش آورده شده است.

دانلود مقاله سنتز و بررسی روش های اصلاح غشاهای پلی اترسولفون

اختصاصی از کوشا فایل دانلود مقاله سنتز و بررسی روش های اصلاح غشاهای پلی اترسولفون دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

مقدمه :

پلی (آریلن اتر سولفون) ها یک دسته مهم از مواد پلیمری هستند که شفاف، آمورف با دمای حالت گذار شیشه ای بالا هستند و پایداری حرارتی، اکسایشی و مقاومت به هیدرولیز عالی، همچنین خواص مکانیکی و تشکیل فیلم خوب از خود نشان می دهند. تولید این ماده در مقیاس تجاری در سال 1965 شکل گرفت.

این مواد از طریق روش های مختلف سنتز می شوند. مهمترین مسیر تجاری، جایگزینی هسته دوستی آروماتیک است و به میزان کمتر جایگزینی الکتروندوستی آروماتیک است. حال در اینجا به مرور روش جایگزینی هسته دوستی آروماتیک می پردازیم که شامل دو مسیر است

• مسیر باز قوی
• مسیر باز ضعیف

مسیر سنتز باز قوی :

یکی از مسیرهای هسته دوستی آروماتیک اولیه برای سنتز پلی آریلن اترها توسط جانسون و همکارانش[1] توسعه یافت، و آنها براین باورند که این روش امروزه در روش های تجاری بکار میرود[31]. جانسون دسته بزرگی از پلی اترها را توسط این روش سنتزی، سنتز کرد. به عنوان مثال تشکیل پلی سولفون بیس فنول A در شکل 10 نشان داده شده است. آنها مونومرها و شرایط گوناگون را بکار بردند و مشاهدات مختلف ایجاد شده در طول این آزمایشات را بحث کردند. مشاهدات آنها برای حلال های مناسب انجام شد که سرانجام دی متیل سولفوکسید (DMSO) به عنوان بهترین حلال برای سنتز تقریبا همه پلیمرها انتخاب شد.

با این حال، مفید بودن آن زمانی محدود شد که از کلریدهای فعال شده ضعیف تر یا بیس فنولهای اسیدی تر استفاده کرد. در مواردی که نمی توان از DMSO استفاده کرد به جای آن می توان از سولفولان استفاده نمود. در موارد خاصی که کریستالیزاسیون پلیمر در درصد تبدیلات پایین در حلال DMSO اتفاق می افتد، در حالی که برای سولفولان مشکلی به وجود نمی آید. همانطور که قبلا ذکر شد یکی از ویژگی های مهم یک حلال خوب، توانایی حلال پوشی واکنش دهنده ها و محصولات است. در مورد این واکنش دو مشکل وجود دارد : حلال پوشی بیس فنات قلیایی و پلیمر. مشخص شده است که حلال پوشی بیشتر بیس فنات های قلیایی حتی در DMSO در دماهای واکنش خیلی بالا حدود بین 130-170 انجام می شود. استفاده از سولفولان اجازه می دهد که از دماهای بالاتر در حدود 0C230 استفاده شود زمانی که مونومرهای با واکنش پذیری کمتر بکار میرود. واکنش های جانبی به خاطر حضور مقادیر کمی آب اثرات چشمگیری روی وزن مولکولی بدست آمده دارد.

هیدرولیز فنات فلزی برای تولید یون هیدروکسید یک واکنش جانبی عمده است. یون هیدروکسید به عنوان یک نوکلئوفیل عمل می کند و جایگزین هالید فعال شده می شود، ایجاد یک گروه انتهایی با واکنش پذیری کم که در نهایت استوکیومتری پلیمر کردن را برهم می زند و وزن مولکولی را محدود می کند.

اعتقاد بر این است که علت عمده وزن مولکولی پایین بدست آمده زمانی است که آب وجود دارد، چون وزن مولکولی بعد از حذف آب از واکنش افزایش نمی یابد، حتی بعد از اینکه آنها زمان کافی برای رسیدن به تبدیل های بالا را به واکنش دادند. هیدرولیز پلیمر توسط هیدروکسید یکی دیگر از واکنش های جانبی ممکن است. جانسون و همکارانش مشاهده کردند که واکنش پذیری بیس فنول های گوناگون به طور معکوس با اسیدیته آنها تغییر می کند، با این ایده که هسته دوستی بیس فنات ها با خاصیت بازی آنها افزایش می یابد مطابقت دارد. آنها متوجه شدند که تنها نمک های سدیم و پتاسیم حلالیت کافی در DMSO را دارند. واکنش پذیری دی هالیدهای فعال شده هم به گروه فعال کننده و همچنین به هالید وابسته است. زمانی که گروه فعال کننده یکسان باشد مشتقات فلوئوردار سریعتر از مشتقات کلردار واکنش می دهند. استفاده از گروه های فعال کننده قوی تر مثل سولفونها اجازه واکنش پذیری نسبتا سریعتر با گروه های کلر و همچنین فلوئور را می دهد.

                                                                                                                                                                                  [1] Johnson and coworkers

دانلود پایان نامه کامل اعمال دینامیکی در طراحی سنتز متانول به منظور جلوگیری از کاهش تولید محصول

اختصاصی از کوشا فایل دانلود پایان نامه کامل اعمال دینامیکی در طراحی سنتز متانول به منظور جلوگیری از کاهش تولید محصول دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

متانول یکی از مهمترین الکل ها است که به دلیل کاربرد فراوان آن به خصوص در مصارف عمومی مورد توجه قرار گرفته است. موارد مصرف این ماده زیاد است و از جمله آن می توان به سه مصرف عمده به عنوان حلال، سوخت و ماده اولیه تهیه مواد شیمیایی اشاره کرد.

در این تحقیق تولید متانول که شامل یک راکتور، مبدل حرارتی و جداساز می باشد به صورت دینامیکی شبیه سازی شده است. فرض شده است. پیش بینی رفتار فرآیند تولید متانول از گاز سنتز، از طریق حل دستگاه های معادلات دیفرانسیل غیر خطی مرتبه اول و دستگاه های معادلات جبری غیر خطی انجام گردیده است.

با استفاده از مدل فوق تاثیر چندین پارامتر مهم شامل نسبت جریان برگشتی، دمای ورودی به راکتور و فشار پوسته اطراف راکتور به منظور جبران افت فعالیت کاتالیست بررسی شده است. نتایج این مطالعه نشان می دهدکه از طریق تغییر دادن شرایط عملیاتی به مقدار قابل توجهی می توان اثر افت فعالیت کاتالیست را در کاهش تولید متانول کم رنگ تر نمود

1-1- معرفی متانول

متانول یکی از مهمترین الکل‏ها است که به دلیل کاربرد فراوان آن به خصوص در مصارف عمومی مورد‏ توجه قرار گرفته است. موارد مصرف این ماده در صنعت زیاد است و از آن ‏جمله می‏توان به سه مصرف عمده به عنوان حلال، سوخت و ماده اولیه تهیه مواد شیمیایی از قبیل فرمالدئید، دی متیل ترفتالات، متیل آمینها و اسید استیک اشاره کرد (Kirk-Othmer 1974).

مصرف این ماده به عنوان سوخت به این دلیل است که متانول دارای نقطه جوش نرمال پایین (7/64) بوده و دمای اشتعال آن نیز کم (385) است. از طرفی به‌خاطر پایین بودن نقطه انجماد این ماده (56-)، از آن برای کاهش نقطه انجماد آب نیز استفاده می‏کنند (Alvin 1997).

سنتز متانول را می‏توان به قدمت استفاده از شعله چوب دانست. تا کنون متانول از روشهای مختلفی ساخته شده است. روشهای قدیمیتر به صورت تقطیر چوب بوده است و روشهای پیشرفته‏تر استفاده از گاز سنتز در مجاورت کاتالیزور می‏باشد. این روش شامل تهیه گاز سنتز، بررسی واکنشهای رقابتی انجام شده در راکتور و مشخص نمودن کاتالیزور برتر، تراکم ‏سازی گاز سنتز برای ورود به راکتور و خالص سازی محصول می‏باشد.

متانول را اکثرا به اسم الکل چوب می‏شناسند و علت آن این است که اولین منبع تجارتی آن چوب بوده است. الکل چوب اولین بار توسط در سال 1661 شناخته شد. ولی تا سال 1812 اختلاف بین متانول و اتیل الکل کشف نشد. حتی در سال 1930 این اختلاف اندک فرض می‏شد. قبل از سال 1930، این ماده یک ماده پرهزینه بود چرا که متانول تهیه شده شامل ناخالصیهای فراوان مثل استون، استات متیل، آلیل الکل، اسید استیک، نفتالین، فنل و … بود و جداسازی این مواد کاری پر هزینه بود (Andrzej Cybulski 1988).

• مشخصات متانول:

متانول مایعی است بی‌ رنگ، قابل اشتعال و دارای بویی تقریبا تند که با هر نسبتی با آب ترکیب می‌شود. فرمول شیمیایـی این ماده و دانسیته آن 792 می‌باشد. از آنجائـیکه در حدود یک قرن متانول به وسیله تقطیر تخریبی چوب تولید می‏گردید، لذا به آن الکل چوب می‌گویند. الکل چوب واقعی شامل موادی مانند استن، اسیداستیک و آلیل الکل نسبت به متانول تجارتی موجود امروزه می‏باشد. سالهای زیادی بزرگترین استفاده متانول در تولید فرمالدئید بوده است، که تقربیا نیمی از متانول تولید شده را مصرف می‏نمود. بعدها به علت استفاده‌های جدیدتر از متانول برای تولید موادی همچون اسید استیک و متیل ترشری بوتیل ‏اتر اهمیت متانول افزایش یافت. استفاده مستقیم از متانول به عنوان سوخت نیز دارای اهمیت ویژه‏ای است.

متانول ماده‌ای است سمی، که حتی خوردن کمی از آن مرگ آور است. در بیشتر مواقع اثرات سمی آن بعد از چند ساعت و بعضی اوقات، 2 تا 3 روز بعد ظاهر می‌شود. متانول در بیشتر مواقع روی اعصاب بینایی نیز اثر می‌گذارد. خوردن 5 میلی لیتر از متانول کافی است، تا بینایی را از بین ببرد. تنفس آن نیز به مدت طولانی همان اثرات مسموم کننده قبلی را دارد.

متانول مایعی است با بویی تقریبا تند که در صورت خالص بودن بوی ملایم الکل را دارد. متانول با حرارت تجزیه می‏شود و ایجاد دی ‏اکسید کربن و فرمالدئید می‏کند. متانول با مواد اکسید کننده نظیر پرکلراتها، تری اکسید کرم، برم، هیپوکلریت سدیم، کلرین و پراکسید هیدروژن به ‏شدت واکنش می‌دهد که منجر به ایجاد حریق و مخلوطهای قابل انفجار می‏گردد.

متانول به ‏خوبی با هوا ترکیب شده و به آسانی مخلوطهای قابل انفجار ایجاد می‏کند. متانول با آب، الکلها، استرها،کتونها و اکثر حلالهای آلی میل ترکیبی داشته و مخلوطهای آزئوتروپ زیادی به وجود می‏‏آورد.

پایان نامه سنتز غربال های مولکولی سیلیکوآلومینو فسفات در ابعاد نانو و کاربردهای آن -در الکتروشیمی

اختصاصی از کوشا فایل پایان نامه سنتز غربال های مولکولی سیلیکوآلومینو فسفات در ابعاد نانو و کاربردهای آن -در الکتروشیمی دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:83

فهرست مطالب:

فصل اول – مقدمه و کلیات تحقیق
    مروری کلی بر غربال مولکولی سیلیکوآلومینوفسفات    2
     زئولیت¬های طبیعی    6
    سنتز غربال¬های مولکولی    6
    اصلاح¬ غربال¬های مولکولی¬ سیلیکوآلومینوفسفاتی    9
    شناسایی غربال¬های مولکولی سیلیکوآلومینوفسفاتی    11
    روش میکروسکوپ الکترونی    11
    روش پراش اشعه  X (XRD)      12
    روش FTIR    12
    مقدمه¬ای بر پیل¬های سوختی    12
    الکترودهای اصلاح شده و فرایند الکتروکاتالیزور    15
    انواع کاتالیزورهای مورد استفاده در الکترواکسیداسیون آندی متانول    18
    الکتروکاتالیزورهای متانول در محیط اسیدی    18
1-7-2. الکتروکاتالیزورهای متانول در محیط قلیایی    18
    اندازه¬گیری الکتروشیمیایی    19
    هدف از پژوهش    19
فصل دوم – ادبیات و پیشینه تحقیق
    تاریخچه¬ی پیل سوختی    21
    مروری بر تحقیقات الکتروکاتالیزوری    22
    تاریخچه¬ی مواد غربال¬های مولکولی    23
    زئولیت¬های آلومینو سیلیکاتی و غربال¬های مولکولی سیلیسی    23
فصل سوم – روش تحقیق
    مواد اولیه و تجهیزات آزمایشگاهی    30
    مواد اولیه    30
    تجهیزات آزمایشگاهی    32
    دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات    32
    سنتز و ساخت    33
    سنتز نانو سیلیکوآلومینوفسفات    33
    ﺳﺎﺧﺖ اﻟﻜﺘﺮوﻛﺎﺗﺎﻟﻴزور    34
    روش ارزیابی عملکرد الکتروکاتالیزوری    35
    مقایسه الکترود مربوطه با الکترود خمیر کربن    36
فصل چهارم – محاسبات و یافته¬های تحقیق
    تعیین خصوصیات کاتالیزور¬های سنتزی    39
    آنالیز XRD    39
    آنالیز FESEM    40
    آنالیز FTIR    42
    ارزیابی عملکرد الکتروکاتالیزورها    44
    آنالیز الکتروشیمی الکترودهای اصلاح شده    47
    اکسیداسیون الکترولیت متانول در سطح الکترود اصلاح شده    54
    ارزیابی کرنوآمپرومتری    58
    بررسی عملکرد و پایداری الکترود Ni-SAPO/CPE    63
فصل پنجم – نتیجه گیری و پیشنهادات
    غربال مولکولی کریستال نانو سیلیکوآلومینوفسفات    66
    الکترود اصلاح شده با نانوسیلیکوآلومینوفسفات سنتز شده    66
    پیشنهادات    67
پیوست – منابع و ماخذ    68
چکیده انگلیسی    72
 

فهرست شکل‌ها

شکل1-1: واحدهای TO4 در غربال مولکولی¬های زئولیتی و آلومینوفسفاتی            3
شکل 1-2: ساختار اتمی شبکه¬های CHA(a), MFI(b), AFI(c), DON(d)            5
شکل1-3: روش سنتز قالبی و قالب¬های رایج در آن: 1. تک مولکول، 2. مولکول دوگانه دوست (دارای یک رشته‌ی آلی چربی دوست (قرمز) و یک سر آب دوست (آبی): Amphiphile))و 3. مایسل (خوشه¬ای از مولکول های دوگانه-دوست: Micelle)) و 4. مواد پیچیده¬تر، 5. یک ساختار کروی، 6. دسته¬ای از ساختارهای کروی            9
شکل 3-1: نمایی از نحوه¬ی فعالیت پتاسیواستات            32
شکل 4-1: الگوی XRD غربال مولکولی نانوساختار SAPO            39
شکل 4-2: الگوی XRDغربال مولکولی نانوساختار NiSAPO            40
شکل 4-3: تصویر SEM غربال مولکولی نانوساختار SAPO            41
شکل 4-4: تصویر SEM غربال مولکولی نانوساختار NiSAPO            42
شکل 4-5: آنالیز FTIR  غربال مولکولی نانو ساختار SAPO             43
شکل 4-6: آنالیز FTIR کاتالیزور  نیکل SAPO            43
شکل 4-7: ولتامتری چرخه¬ای الکترود الف CPE و  ب الکترود اصلاح شده 25%SAPO/CPE  در محلولmM  10 پتاسیم فری سیانید وM 1/0  KCl با سرعت اسکنmV/S   20 و pH=7........................44
شکل4-8: ولتامتری چرخه¬ای الکترود SAPO/CPE  25% در محلول  در محلولmM  10 پتاسیم فری سیانید وM 1/0  KCl در سرعت اسکن¬های بالاتر از 350 میلی ولت برثانیه و شکل الحاقی در سرعت اسکن¬های کمتر از 350 در همان شرایط.....................................................................................................45
شکل 4-9 :شکل I_pa برحسب ν^(1/2) برای ولتامتری چرخه¬ای اکسیداسیون K4Fe(CN)6 در صفحه¬ی  (b)SAPO/CPE و (a)  CPE با سرعت اسکن¬های مختلف.......................................................................47
شکل 4-10: ولتامتری چرخه¬ای الکترود (a)CPE و الکترود SAPO/CPE 25% (b) بعد از قرارگرفتن در محلول 1/0  مولار نیکل کلراید و به همراه ولتامتری چرخه¬ای قبل از گذاشتن الکترودها در محلول 1/0 مولار نیکل کلراید.....................................................................................................................................48
شکل4-11: مقایسه¬ی شدت جریان پیک آندی الکترودهای اصلاح شده در حضور و در غیاب متانول.....49
شکل 4-12: a چرخه ولتامتری Ni/NSAPO/CPE  در سرعت اسکن¬های  کمتر از 300میلی¬ولت بر ثانیه در محلول  1/0  مولار  NaOH  . b شکل Ep  بر حسب Log υ  برای  پیک¬های آندی (a)  و کاتدی (b) ولتامتری چرخه¬ای نمایش داده شده در قسمت a . c  وابستگی جریان¬های پیک¬های آندی و کاتدی  به سرعت اسکن در سرعت اسکن¬های کمتر(5 تا 75 میلی¬ولت بر ثانیه).  d شکل  جریان¬های پیک¬های آندی و کاتدی بر حسب 2/1υ  برای سرعت اسکن¬های بالاتر از  75 میلی¬ولت بر ثانیه........................................50
شکل 4-13: ولتامتری چرخه¬ای  Ni/NSAPO/CPE  در محلول NaOH 1/0 مولار الف در حضور  متانول 01/0مولار و   ب غیاب متانول….…………………………..…………………………………....54
شکل 4-14: (a)   شکل Ipa بر حسب υ و (b)  Ipa برحسب 2/1υ  داده¬های استخراج شده ولتامتری چرخه¬¬ای الکترود Ni-SAPO/CPE در حضور متانول با غلظت 005/0 در محلول 1/0  مولار NaOH در سرعت اسکن¬های مختلف. (c)  تغییرات log(Ipa) بر حسب log υو (d)  شکل تغییرات 2/1υ /Ipa  برحسب …υ..56
شکل 4-15: تغییرات نرخ  Ipa/Ipc  برای Ni-SAPO/CPE نسبت به سرعت اسکن در محلول NaOH 1/0 مولار  ▲در غیاب متانول ■ در حضور متانول با غلظت 005/0 مولار....................................................58
شکل 4-16: منحنی تافل و منحنی الحاقی ولتامتری چرخه¬ای الکترود اصلاحی در محلول NaOH  1/0 مولار و در حضور متانول با غلظت 005/0 مولار با سرعت اسکن mV/s 20.............................................58
شکل4-17:  a  کرنوآمپرومتری دوپله¬ای الکترود Ni/NSAPO/CPE  در محلول NaOH 1/0  مولار باغلظتهای  0، 0015/0، 003/0، 01/0 مولار متانول (گام¬های پتانسیل به ترتیب 7/0 و 3/0 بر حسب Ag/AgCl/KCl )   b  منحنی جریان بر حسب زمان در I غیاب متانول و II حضور متانول c  وابستگی I_C/I_L  به t^(1/2) از روی داده¬های کرنوآمپرومتریc  وابستگی جریان به t^(-1/2) از داده¬های کرنوآمپرومتریd  وابستگی نرمال شده¬ی شکلc  به غلظت متانول.....................................................................................................59
شکل 4-18: نمایش رفتار نمایی کرنوآمپرومتری الکترود  Ni/NSAPO/CPE در مقابل الکترود  CPE....61
شکل 4-19: تصویرSEM  a) الکترود خمیر کربن b) الکترود خمیرکربن اصلاح شده با SAPO %25w/w  c) الکترود خمیرکربن اصلاح شده با SAPO بعد از لود شدن در محلول نیکل کلراید 1/0مولار................63

فهرست جداول

جدول 1-1: مثال¬هایی از زئولیت¬های کوچک، متوسط، بزرگ حفره    5
جدول 2-1: کشف¬ها و پیشرفت¬های اصلی در زمینه¬ی مواد غربال کننده¬ی مولکولی در طی این دوره        23
جدول 2-2: سیر تکامل زئولیت¬های آلومینوسیلیکاتی از دهه¬ی 1950 تا دهه¬ی 1970    24
جدول 4-1: جدول محاسبات ks  از طریق معادله (5) و شکل b4 برای mV 200<E∆    52
جدول 4-2: محاسبه مقدار kcat    60
جدول 4-3: مقایسه¬ی ثابت نرخ کاتالیزوری (kcat) برخی از الکترودهای اصلاحی در اکسیداسیون متانول.61

چکیده
در این پروژه سعی بر این بود گامی کوچک در راستای سنتز غربال مولکولی سیلیکوآلومینوفسفات در ابعاد نانو و بکارگیری آن در پیل¬های سوختی با سوخت متانول برداشته شود. لذا در این راه نانو سیلیکوآلومینوفسفات در شرایط هیدروترمال در شرایط بهینه تولید گردید. در ادامه از تکنیک¬های  XRD، FT-IR, SEM برای شناسایی غربال¬های مولکولی استفاده شد. نتایج طیف XRD نشان داد که سنتز غربال مولکولی سیلیکوآلومینوفسفات موفقیت آمیز بوده و میانگین اندازه ذرات تقریباً 35 نانومتر تخمین زده شد. نمونه¬ی سنتز شده در پیل¬های سوختی متانول مستقیم به کار برده شد. در غیاب متانول، مقدار ضریب انتقال الکترون (α) برابر با 5547/0، میانگین ثابت بار (ks)  برابر با 023/0 (1/s)، میانگین پوشش سطح الکترود   برابر با 7-10 × 89/9 و نیز در حضور متانول مقدار سرعت کاتالیزوری برابر با 104×  616/4 و ضریب نفوذ آشکار برابر با × 〖10〗^(-۶)848 /4  بدست آمد.

کلمات کلیدی: نانو سیلیکوآلومینوفسفات، سنتز هیدروترمال، غربال مولکولی، ولتامتری چرخه¬ا¬ی، پیل سوختی متانول مستقیم

پایان نامه تولید اتانول و استات از گاز سنتز با استفاده از باکتری کلستریدیوم لانگالی

اختصاصی از کوشا فایل پایان نامه تولید اتانول و استات از گاز سنتز با استفاده از باکتری کلستریدیوم لانگالی دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

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