انتخاب صفحه

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

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

  فصل اول: مقدمه 

از آغاز قرن بیستم، تولید سوخت و ترکیبات شیمیائی از گاز سنتز به عنوان روشی برای تولید سوختهای تجدید پذیر مورد توجه جوامع علمی و صنعتی قرار گرفت. هر چند، بیشتر پیشرفتها و اکتشافاتی که در این زمینه انجام گرفته است به استفاده از فرایندهای کاتالیستی و کاتالیستهای پایه فلزی مربوط می شود. اخیرا، توجه محققین و پژوهشگران به تولید سوختهای بیولوژیکی و ترکیبات شیمیائی از گاز سنتز از طریق روشهای بیولوژیکی معطوف گردیده است چرا که استفاده از میکروبها به عنوان بیوکاتالیست مزیتهایی را نسبت به کاتالیستهای پایه فلزی به همراه دارد.امروزه تلاشهای فراوانی در جهت تولید سوختهای بیولوژیکی صورت می گیرد اما این مساله تبدیل به یکی از موضوعات بحث برانگیز در جوامع علمی و انسانی گردیده است. تولید سوختهای بیولوژیکی نسل اول[1] از منابع غذایی با توجه به نیاز مبرم بسیاری از کشورها به غذا امری غیر اخلاقی تلقی شده و همواره مورد انتقاد قرار گرفته است. تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم[2] می تواند پاسخگوی بخش عمده ای از انتقادها نسبت به تولید سوخت از محصولات غذایی باشد. تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از منابع غیر غذایی، عموما ضایعات کشاورزی و پسماندهای آلی، شامل دو تکنولوژی اساسی است که در آن ابتدا بیومس تبدیل به گاز شده و سپس گاز سنتز تولید شده به عنوان سوبسترا در فرایند میکروبی یا کاتالیستی به سوخت بیولوژیکی تبدیل می گردد. با وجود مطالعات و تحقیقاتی که به تازگی روی فرایند تخمیر گاز سنتز به عنوان روشی پایدار و تجدید پذیر برای تولید سوختهای بیولوژیکی صورت گرفته است، این فرایند همچنان یک تکنولوژی تکامل نیافته محسوب می گردد و لازم است چالش های تکنیکی و اقتصادی مختلفی را قبل از تجاری سازی این فرایند مرتفع ساخت.

1-1       سوختهای بیولوژیکی

تولید جهانی سوختهای بیولوژیکی در دهه اخیر به سرعت افزایش یافته است اما این صنعت رو به رشد نگرانی های مهمی را با خود به همراه داشته است. سوختهای بیولوژیکی نسل اول از منابع غذایی اولیه مانند نشاسته، قند، روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی تولید می شوند. با وجود آنکه تولید سوختهای بیولوژیکی نسل اول مانند تولید اتانول از ذرت در ایالات متحده، اتانول از نیشکر در برزیل و بیودیزل از کلزا و آفتابگردان در اروپا همچنان به عنوان فرایندهای تجاری سازی شده ادامه دارد، اما با وجود انتقادهای فراوان نسبت به پایداری تولید این سوختها و رقابت آنها با تولید مواد غذایی، سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد توجه فراوانی قرار گرفته اند [1]. سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از بیومسهای لیگنوسلولزی[3] که منبع غذایی نباشند تولید می گردند. نمایی کلی از منابع اولیه ای که برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد استفاده قرار می گیرند در شکل 1-1 ارائه شده است [1, 2]. به طور کلی، این مواد اولیه به ضایعات کشاورزی، پسماندهای آلی و بیومسهایی که رشد سریع دارند و به منظور تولید انرژی کشت می شوند[4]، تقسیم بندی می گردند. بنابراین، سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مزایایی همانند استفاده از ضایعات و پسماندها و استفاده از زمینهای بایر به خصوص در مناطق روستایی دارند. هرچند، چنانچه تولید این سوختها با محصولات غذایی بر سر زمینهای موجود رقابت کند مناسب بودن این سوختها از لحاظ پایداری تولید مورد تردید قرار خواهد گرفت. نگرانی دیگری نیز در این زمینه وجود دارد که برداشت بی رویه ضایعات کشاورزی به منظور تولید سوخت و انرژیهای بیولوژیکی، تاثیر منفی روی حاصل خیزی خاک و کیفیت آن خواهد داشت [3].

سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از دو روش بیوشیمیائی و شیمیائی-حرارتی تولید می گردند. در فرایند تبدیل بیوشیمیائی، اجزای سلولزی و همی سلولزی بیومس توسط آنزیم یا هیدرولیز اسیدی به مخلوطی از قندهای تخمیرپذیر تبدیل شده و سپس با انجام عمل تخمیر توسط میکروارگانیزمها قندها به الکل، عمدتا اتانول، تبدیل می گردند. فرایند تبدیل بیوشیمیائی مبتنی بر استفاده از بیوکاتالیستها از جمله آنزیمها و میکروارگانیزمهاست.

در فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی از تکنولوژی پیرولیز[1] یا تبدیل به گاز کردن[2] در دماهای بالا برای تبدیل اجزای لیگنوسلولزی بیومس به یک ترکیب واسطه مایع یا گاز استفاده می گردد. سپس ترکیب واسطه تولید شده به انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی سنتزی از قبیل دیزل، سوخت هواپیما و اتانول تبدیل می گردد [4-6]. بسیاری از سوختهایی که هم اکنون از سوختهای فسیلی تولید می شوند همانند سوختهای مایع فیشر-تروپ[3] و متانول را می توان از فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی تولید کرد [3, 7].  با وجود آنکه هر کدام از این فرایندهای تبدیل مزایا و معایب خاص خودشان را دارند، بازده تولید و مشکلات اقتصادی و زیست محیطی دو فرایند بسیار قابل مقایسه است. تاکنون، هیچ برتری تجاری یا تکنولوژیکی شفافی بین دستاوردهای این دو روش به اثبات نرسیده است [4, 8, 9].

در فرایند تبدیل بیوشیمیائی می توان به گزینش پذیری و بازده تبدیل بالا دست یافت. هرچند، این روش نیازمند فرایندهای آماده سازی[4] بسیار حساس است که طی آن ساختار بیومس تغییر یافته و سلولز و همی سلولز در معرض هیدرولیز آنزیمی قرار می گیرند. این فرایند آماده سازی و هزینه بالای آنزیم، هزینه کلی فرایند را افزایش می دهد. در مقابل، فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی تکنولوژی استوار و پایداری است که می تواند انواع مختلفی از بیومسهای لیگنوسلولزی را فرایندسازی کند. مساله عمده در این روش، هزینه مقدار انبوه بیومس است که باید جمع آوری و منتقل شده و در محل اجرای پروژه تحویل داده شود. این هزینه باید به اندازه کافی معقول باشد تا فرایند تولید سوخت بیولوژیکی به صورت تجاری مقرون به صرفه باشد [4].  به طور کلی، چندین تفاوت اساسی بین این دو روش تبدیل وجود دارد. اول اینکه در فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی، لیگنین موجود در بیومس نیز همراه با سلولز و همی سلولز به گاز تبدیل می گردد. در حالیکه، در روش بیوشیمیائی، تخریب لیگنین (که 10 تا 40% اجزای بیومس را تشکیل می دهد) به ترکیبات تخمیر پذیر با استفاده از واکنشهای آنزیمی به سختی انجام می گیرد [10]. دوم اینکه، اتانول محصول تخمیری اصلی در فرایند تبدیل بیوشیمیائی است، در حالیکه، انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی را می توان از گاز سنتز در روش شیمیائی-حرارتی تولید کرد. با این حال، فرایند تبدیل بیوشیمیائی روش شناخته شده تری برای تولید اتانول از بیومسهای لیگنوسلولزی است و روش شیمیائی-حرارتی در متون علمی مورد توجه کمتری قرار گرفته است.تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس و سنتز سوخت بیولوژیکی را تلفیق می کند، شماتیکی از این فرایند در شکل 1-2 نشان داده شده است. تولید سوخت بیولوژیکی از گاز سنتز می تواند به دو صورت انجام گیرد؛ با استفاده از کاتالیستهای پایه فلزی یا غیرآلی که به عنوان فرایند فیشر-تروپ شناخته شده است و یا با استفاده از کاتالیستهای میکروبی که تخمیر گاز سنتز نامیده می شود [11, 12].

1-1-1-1  تبدیل به گاز کردن بیومس

تبدیل به گاز کردن بیومس فرایندی شیمیائی-حرارتی است که در طی آن ساختار کربنی بیومس در فرایند احتراق ناقص در دماهای بالا تبدیل به گاز می شود. در فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس، ساختار لیگنوسلولزی بیومس در اثر حرارت شکسته شده و تبدیل به منوکسید کربن (CO)، هیدروژن (H2) و دی اکسید کربن (CO2) که اجزای اصلی گاز سنتز هستند و مقادیر کمتری متان (CH4) و گازهای دیگر می شود. ترکیب شیمیائی گاز سنتز در این فرایند به عوامل مختلفی همچون خصوصیات ماده اولیه (میزان خاکستر، رطوبت، اندازه ذرات)، سیال گازی کننده[5] (هوا، بخار، اکسیژن خالص یا هر ترکیبی از آنها)، نوع راکتور ( بستر ثابت، متحرک، سیالی شده) و شرایط عملیاتی (دما، نسبت سیال گازی کننده به خوراک و غیره) بستگی دارد [13, 14].

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

آمپول حاوی باکتری کلستریدیوم لانگالیATCC55383

آمپول حاوی باکتری کلستریدیوم لانگالیATCC55383

 فصل دوم: مروری بر متون علمی

در این فصل مروری بر فرایندهای تبدیل سوبستراهای گازی به انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی از طریق روشهای میکروبی ارائه می گردد. شرایط بهینه برای کشت انواع مختلف ارگانیزمهای استوژنیک[1]، هیدروژنوژنیک[2] و متانوژنیک[3] برای دستیابی به بازده محصول بالا بررسی می شود. تاثیر پارامترهای عملیاتی مختلف روی فرایند تبدیل بیولوژیکی در قالب رشد سلول، تولید محصول و نسبت توزیع محصولات به صورت گسترده مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. در جدول 2-1 خلاصه ای از انواع میکروارگانیزمهایی که می توانند گاز سنتز را به سوختهای بیولوژیکی تبدیل کنند ارائه شده است.

1-1       ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک برای واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز[4]

منوکسیدکربن موجود در گاز سنتز با آب واکنش می دهد تا از طریق واکنش جابجائی آب-گاز H2 و CO2 تولید کند. دی اکسیدکربن تولید شده در این واکنش باید با فرایند جذب حذف شود تا هیدروژن خالص تولید شود. همچنین ممکن است از این واکنش برای افزایش میزان H2 موجود در گاز سنتز برای کاربردهای بعدی استفاده گردد. واکنش جابجائی آب-گاز کمی گرمازا بوده و از کاتالیستهای هتروژن که ممکن است از فلزاتی همچون کروم، روی، آهن، کبالت، مس و غیره ساخته شده باشد برای انجام واکنش استفاده می شود. این فرایند با محدودیتهایی نظیر غیرفعال شدن کاتالیست با سولفور، رسوب کربن و استفاده از دماهای بالا روبروست.در واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز از ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک برای تولید هیدروژن از اکسیداسیون منوکسیدکربن استفاده می شود. انرژی لازم برای انجام واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز با نقل و انتقال الکترون از CO به  H2O از طریق واکنشهای زیر تامین می شود:

بنابراین، میزان کمی انرژی در فرایند بی هوازی تولید می شود که منجر به رشد آهسته سلول شده و زمان طولانی برای رسیدن به حالت پایدار نیاز دارد. برای نمونه، رشد باکتری روبریویواکس ژلاتینوسس[1]در شرایط بی هوازی منجر به تولید 4/1 گرم سلول به ازای هر مول CO می شود، در حالیکه رشد این باکتری روی استات در شرایط هوازی 2 گرم سلول به ازای هر مول استات تولید می کند [56]. از طرف دیگر، از آنجا که در واکنش بی هوازی انرژی بسیار کمتری ( ATP3-2) در مقایسه با شرایط هوازی ( ATP38-26) تولید می گردد سلول ناچار است تا به میزان تقریبا ده برابر سوبسترا مصرف کند تا همان میزان انرژی را به دست آورد. بنابراین، در فرایند بی هوازی می توان به میزان تبدیل بالایی از سوبسترا دست یافت که این مساله به عنوان یک مزیت در بیوتکنولوژی تلقی می شود [57]. توجه به این نکته حائز اهمیت است که با وجود آنکه فرایندهای هوازی انرژی بیشتری برای ارگانیزم فراهم می کنند و دانسیته سلولی بالاتر است اما هیچ هیدروژنی در فرایند هوازی تولید نمی شود.

جانگ و همکارانش[2] [33] گونه ای از باکتری سیتروباکتر[3] را از لجن فاضلاب بی هوازی در هاضم جدا کرده و از آن برای کاتالیز کردن واکنش جابجائی آب-گاز استفاده کردند. آنها مشاهده کردند که رشد باکتری در شرایط هوازی بسیار سریعتر از فرایند بی هوازی بود، هرچند، در شرایط هوازی هیچ  CO ای مصرف نشده و هیچ H2 ای نیز تولید نگردید. بنابراین، آنها فرایندی دو مرحله ای را برای کشت باکتری طراحی کردند که شامل رشد باکتری در شرایط هوازی و سپس تولید هیدروژن در شرایط بی هوازی بود. بدین ترتیب، در یک فرایند تخمیر 250 ساعته که با جایگزینی مداوم CO در باتل در فشار 1 اتمسفر همراه بود،  باکتری هایی که در شرایط هوازی رشد داده شده بودند توانستند 33 میلی مول هیدروژن به ازای هر گرم سلول تولید کنند و به میزان تبدیلی نزدیک به 100% برسند. چنین رفتار مشابهی در هنگام کشت باکتری رودوسودومونا پالوستریس[4] نیز مشاهده شد [58]. با وجود آنکه رشد هوازی باکتری موجب تولید محیط کشتی غلیظ شد، اما هیچ H2 ای در شرایط هوازی تولید نگردید. بنابراین، باکتری ابتدا در شرایط هوازی- کموهتروتروف[5] رشد داده شد و سپس به بیوراکتور بی هوازی برای تولید H2 منتقل گردید.  بدین ترتیب، در فرایند تخمیر پیوسته محیط کشت غلیظی از سلولها با غلظت 10 گرم بر لیتر و حداکثر تولید 41 میلی مول H2 به گرم سلول به ساعت حاصل شد. در حالیکه، رشد بی هوازی-فتوتروف[6] باکتری و سپس کشت بی هوازی آن منجر به دانسیته سلولی 1 گرم بر لیتر و تولید 10 میلی مول H2 به گرم سلول به ساعت گردید. با وجود آنکه، CO برای اکسیداسیون و یا رشد سلول در این باکتریها ضروری نیست، هر چند، حضور آن برای شروع فعالیت تولید H2 لازم است. این احتمال وجود دارد که آنزیمهای تولید کننده H2 که به حضور CO وابسته اند در فرایند رشد هوازی سنتز می شوند و در مرحله کشت بی هوازی فعال می گردند [59].

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

 

تولید اتاتول و استات درمحیط کشت پیوسته لانگالی باشدت جریان های مختلف گاز سنتز ودروه های متفاوت همزن

تولید اتاتول و استات درمحیط کشت پیوسته لانگالی باشدت جریان های مختلف گاز سنتز ودروه های متفاوت همزن

 فصل سوم: مواد مورد نیاز و روش کار

در این فصل مواد شیمیائی و بیوشیمیائی مورد استفاده در آزمایشها، دستگاهها و تجهیزات مورد نیاز برای انجام آزمایشها، روشهای انجام آزمایشهای تخمیر گاز سنتز و همچنین نحوه آنالیز نتایج به تفصیل شرح داده می شوند. آزمایشهای انجام شده برای کشت باکتری لانگالی و استفاده از این بیوکاتالیست برای انجام فرایند تخمیر ناپیوسته گاز سنتز در سرم باتل، همراه با تغییر پارامترهای عملیاتی توضیح داده می شوند. نحوه انجام آزمایشهای پیوسته در بیوراکتور شرح داده شده و در پایان روابط مورد استفاده در مطالعه کینتیک فرایند و روش به دست آوردن معادلات ارائه می گردد.

1-1       باکتری کلستریدیوم لانگالی[1]

باکتری خالص کلستریدیوم لانگالی با شماره ATCC 55383 از کلکسیون محیط کشت امریکا[2] خریداری شد. این باکتری به صورت فریز شده در گلیسرول در یک آمپول کوچک از شرکت ATCC دریافت گردید (تصویر 3-1). برای کشت مجدد این باکتری در محیط کشت مایع و جامد، دستورالعمل ATCC به صورت کامل و دقیق اجرا شد.

محیط کشت مایع بر اساس دستورالعمل شرح داده شده بدون فروکتوز و عوامل کاهنده تهیه شد. به منظور حذف اکسیژن، محلول جوشانده شد. محیط کشت جوشانده شده با وارد کردن جریانی از گاز نیتروژن به درون مایع تا دمای حدود 45 درجه سانتیگراد خنک گردید. محیط کشت (50 میلی لیتر) سپس در داخل چند سرم باتل (163 میلی لیتر) توزیع گردید. مجددا گاز نیتروژن برای مدت 2-1 دقیقه به داخل سرم باتل فرستاده شد و در باتل ها یکی پس از دیگری بسته شدند. برای بستن سرم باتل ها، ابتدا یک درپوش لاستیکی و سپس یک روکش آلومینیومی روی باتل قرار داده شد و پس از آن توسط وسیله ای موسوم به کریمپر[1] (Wheaton) بسته شدند. طراحی سرم باتل ها به گونه ای است که پس از بستن در آنها، امکان ورود و خروج هوا و یا گاز دیگری وجود ندارد و این مساله برای کشت دادن ارگانیزمهای بی هوازی بسیار مهم است.

محلول فروکتوز به صورت جداگانه با غلظت 0/5 گرم در لیتر تهیه گردید. در تهیه این محلول نیز مراحل جوشاندن و خنک کردن با نیتروژن انجام شده و سپس سرم باتل بسته شد. محلول عوامل کاهنده نیز جداگانه به صورتی که شرح داده شد (بخش 3-3-1-3) تهیه گردید. تمامی باتل های محیط کشت، فروکتوز و عوامل کاهنده در اتوکلاو 75 لیتری (Selecta، اسپانیا) در دمای 121 درجه سانتیگراد برای مدت زمان 15 دقیقه استریل شدند.

برای آماده سازی محیط کشت، محلول فروکتوز و سپس محلول عوامل کاهنده به محیطهای کشت اصلی اضافه شدند. به منظور حصول اطمینان مجدد از ایجاد شرایط بی هوازی در داخل سرم باتل ها، گاز نیتروژن پس از عبور از فیلتر 45/0 میکرون (Sartorius) از طریق سوزن (سرسرنگ) وارد باتل گردید و از سوزن دیگری برای خروج گاز از داخل باتل استفاده گردید (تصویر 3-2). بدین ترتیب، گاز نیتروژن وارد باتل شده و سپس از خروجی به بیرون می رفت. پس از گذشت 30 ثانیه، هر دو سوزن ورودی و خروجی برداشته شد. این مراحل در تمام آزمایشهایی که در سرم باتل انجام می گرفت، اجرا می شد.

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

تولید جهانی اتانول بیولوژیکی درسالهای 2008-2000

تولید جهانی اتانول بیولوژیکی درسالهای 2008-2000

4 فصل چهارم: نتایج آزمایشها و تحلیل داده ها

در این فصل به ارائه نتایج آزمایشها و بررسی و تحلیل یافته های آزمایشگاهی پرداخته می شود. نتایج مربوط به آزمایشهای ناپیوسته در غالب تاثیر سوبسترای آلی روی عملکرد محیط کشت، نقش همزمان عوامل کاهنده و pH در محیط کشت باکتری، تاثیر فشار گاز سنتز در محیط کشت ناپیوسته لانگالی و بررسی کینتیک آزمایش ناپیوسته ارائه می گردد. در ادامه، نتایج مربوط به آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور ارائه شده و تاثیر نرخ رقیق سازی، شدت جریان گاز سنتز و دور همزن بیوراکتور روی عملکرد باکتری در فرایند تخمیر مورد بحث و بررسی قرار می گیرد و با استفاده از یافته های آزمایشگاهی ضرایب انتقال جرم و پارامترهای مربوط به بازده فرایند محاسبه می گردند.

1-1       تاثیر سوبسترای آلی

باکتری لانگالی می تواند انواع مختلفی از سوبستراها را به اتانول و استات تخمیر کند. این 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. به منظور بررسی تاثیر سوبستراهای آلی مختلف در تحریک مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز سالونتوژنیک، از چهار سوبسترای آلی فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات در محیط کشت ناپیوسته باکتری لانگالی استفاده شد و نقش آنها در رشد سلول و تولید محصول مطالعه گردید.

1-1-1     رشد سلول و مصرف سوبسترا

رشد باکتری لانگالی در محیط کشت ناپیوسته با سوبستراهای فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات بررسی گردید. در فرایند رشد هتروترفیک باکتری روی گلوکز و فروکتوز، سوبسترای آلی از طریق مسیر متابولیکی امدن- میرهوف- پاراناس[1] که به عنوان فرایند گلیکولایسیس[2] نیز شناخته می شود به پیروات تبدیل می شوند. سپس، تبدیل اکسایشی پیروات، استیل-کوآنزیم A تولید می کند که یک ترکیب واسطه و مهم در چرخه متابولیکی استوژنهاست. باکتری از استیل-کوآنزیم A تولید شده برای تولید سلول و انرژی از طریق فرایندهای آنابولیک[3] و کاتابولیک[4] استفاده می کند. در مسیر آنابولیک، مقدار کمی از استیل-کوآنزیم A به صورت کاهشی کربوکسیله می شود تا در حضور آنزیم پیروات: فردوکسین اکسیدورداکتاز[5] پیروات تولید کند. سپس پیروات تولید شده به فسفوانول پیروات[6] تبدیل می گردد که یک ترکیب واسطه برای تشکیل اجزای سلولی است [116]. شکلهای 4-1 و 4-2 رشد باکتری لانگالی را روی فروکتوز و گلوکز و مصرف این سوبستراها را نشان می دهند.

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..ا…………………………………. 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 بیوراکتو…………………….ر 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

شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوخت های بیولوژیکی

شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوخت های بیولوژیکی

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1 نتیجه گیری از آزمایشها……………………………………………………. 172

5-2 ارائه پیشنهادات برای طرحهای آتی……………………………………….. 175

پیوست الف………………………………………………………………………….177

پیوست ب…………………………………………………………………………… 181

6 مراجع…………………………………………………………………………….. 187

میکروگرافTEM باکتری کلستریدیوم لانگالی

میکروگرافTEM باکتری کلستریدیوم لانگالی

Abstract

Clostridium ljungdahlii is a strictly anaerobic acetogene able to grow on CO and H2/CO2 as synthesis gas components and ferment them to ethanol and acetate under ambient temperature and pressure. In this process, the bacterium presents a complex metabolic pathway including both the acetogenic and solventogenic phases. During the heterotrophic batch cultivation of the bacterium, the effect of various carbon sources (fructose, glucose, ethanol and acetate) on triggering the metabolic shift toward solventogenesis was considered. The fermentation results demonstrated the equimolar production of ethanol (27.1 mM) and acetate (26.3 mM) in the presence of fructose. During the autotrophic growth of the bacterium with synthesis gas for lowering the redox potential of the growth medium and alteration of the electron flow toward solventogenesis, various reducing solutions (sodium sulfide and/or cysteine-HCl with various concentrations) at different initial medium pH (6.8 or 5.9) were used in the batch bioreactors. The results suggested the plausible provision of more electrons into the culture in the presence of 5.07 mM cysteine-HCl at the medium pH 5.9, as a promoted ethanol to acetate molar ratio of 0.65 was achieved in this culture. In order to determine the intrinsic growth, substrate uptake and product formation biokinetic parameters in synthesis gas fermentation process, the bacterium was grown in various pressurized batch bioreactors. A dual-substrate growth kinetic model using Loung for CO and Monod for H2 was developed to describe the growth rate kinetics of the bacterium on these substrates. This model also accommodated CO inhibitory effects on cell growth at high CO partial pressures. The Volterra model, Andrews and modified Gompertz were respectively adopted to describe the cell growth, substrate uptake rate and product formation. Continuous synthesis gas fermentation experiments were carried out in a 2.0 L CSTR bioreactor. The effects of various operation parameters including liquid dilution rates, synthesis gas flow rates and agitation speed on the culture performance were assessed. The highest specific production rate (0.0048 mol g-1cell h-1), product yield (YP/S=0.178) and ethanol to acetate molar ratio of 0.73 (with 30 mM ethanol and 41 mM acetate) was achieved at the dilution rate of 0.018 )h-1(, gas flow rate of 12 )ml min-1( and agitation speed of 500 )rpm(.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان