منابع پایان نامه ارشد درباره اکسیداسیون، بیوتکنولوژی، بازدارندگی

دانلود پایان نامه ارشد

نتایج به دست آمده ضرایب انتقال جرم در بیوراکتورتعیین شدند.
سرعت انتقال جرم سوبسترای گازی از فاز گاز به فاز محیط کشت و سرعت مصرف سوبسترای گازی توسط باکتری (سرعت ذاتی واکنش) تعیین گردیدند. اثرات بازدارندگی احتمالی CO روی رشد سلول و نرخ مصرف گاز به صورت کلی و اجمالی با استفاده از مدلهای کینتیکی بحث گردید. هرگونه مطالعه روی میزان فعالیت آنزیمهای دخیل در واکنشهای بیوشیمیائی (واکنشهای مسیر متابولیکی) و اثرات عوامل مختلف همچون عناصر جزئی و یا غلظت سوبسترای گازی (CO یا H2) روی فعالیت این آنزیمها خارج از چهارچوب این پروژه بوده و بررسی خاصی در این زمینه انجام نگرفته است.

1-9 تقسیم بندی فصول پایان نامه
این پایان نامه شامل 5 فصل می باشد:
در فصل اول مقدمه ای کلی بر لزوم استفاده از سوختهای تجدید پذیر و انواع سوختهای بیولوژیکی ارائه می گردد. روشهای کلی تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد بررسی قرار می گیرند. مزیتهای استفاده از میکروب به عنوان بیوکاتالیست در فرایندهای تخمیر گاز سنتز برشمرده می شود. طرح مساله و ضرورت انجام این پروژه، اهداف کلی و چهارچوبها ارائه می گردند و این فصل با تقسیم بندی فصول پایان نامه خاتمه می یابد.
در فصل دوم مروری بر متون موجود در زمینه تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از گاز سنتز با استفاده از بیوکاتالیستهای مختلف ارائه می گردد. پتانسیل گاز سنتز برای تخمیر شدن توسط ارگانیزمهای استوژنیک، هیدروژنوژنیک و متانوژنیک بررسی می گردد. مروری بر انواع مختلف سوختهای بیولوژیکی و ترکیبات شیمیائی که از تخمیر سوبسترای گازی توسط کاتالیستهای میکروبی حاصل شده اند همانند اتانول، اسید استیک، هیدروژن، بوتانول، اسید بوتیریک، متان و غیره ارائه می شود. در این فصل همچنین نقش پارامترهای عملیاتی مختلف همچون ترکیب مواد مغذی، pH محیط کشت، عناصر جزئی، عوامل کاهنده و نیز محدودیتهای انتقال جرم در فرایند تخمیر گاز سنتز به صورت گسترده مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.
در فصل سوم جزئیاتی از مواد و ترکیبات شیمیائی و بیولوژیکی مورد استفاده در آزمایشها ارائه می شود. روشهای آماده سازی و استریل کردن محیط کشت، رشد و تکثیر سلولی در بیوراکتورهای ناپیوسته با جزئیات کامل بیان می گردد. روشهای آنالیز مورد استفاده برای تعیین میزان رشد سلول، مصرف سوبسترای گازی و آلی و تولید محصول توضیح داده می شود. نحوه انجام آزمایشهای پیوسته در بیوراکتور همزن دار همراه با ایجاد شرایط استریل و کاملا بی هوازی بیان می گردد.
در فصل چهارم نتایج مربوط به آزمایشهای پیوسته و ناپیوسته تخمیر گاز سنتز با استفاده از باکتری لانگالی ارائه می گردند. نتایج مربوط به رشد کموارگانوتروفیک باکتری با استفاده از سوبسترای آلی و اتوتروفیک بر روی گاز سنتز در قالب رشد سلول، میزان مصرف سوبسترا و بازده تولید محصول مورد بحث و بررسی قرار می گیرند. شرایط بهینه ای که موجب افزایش تولید اتانول نسبت به استات می گردند به طور خاص تحلیل می شوند. نتایج بیوکینتیکی به دست آمده بر اساس داده های تجربی و با استفاده از مدلهای موجود در متون ارائه شده و تحلیلهای مربوط به این نتایج ارائه می گردند.
در فصل پنجم اهم نتایج به دست آمده از فرایند تخمیر گاز سنتز با استفاده از باکتری لانگالی برای تولید اتانول و استات ارائه می گردد. همچنین راه کارهایی برای انجام تحقیقات بعدی و به منظور گسترش پژوهش در این زمینه پیشنهاد می گردد.
در پایان، منابع و مراجع مورد استفاده در پایان نامه آورده شده و سپس ضمائم مربوط به نتایج آنالیزها و محاسبات عددی در پیوست ارائه می گردد.

2 فصل دوم: مروری بر متون علمی

2-1 مقدمه
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 استوژنیک32، هیدروژنوژنیک33 و متانوژنیک34 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.
2-2 ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک برای واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز35
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:
CO + H2O→ CO2 + 2e- + 2H+ (2-1)
H+ + 2e-→ H2 (2-2)

جدول ‏21: میکروبهای مختلف برای تخمیر سوبسترای گازی به سوختهای بیولوژیکی
مراجع
محصولات فرایند تخمیر
میکروارگانیزم
[11, 19, 30-40]

هیدروژن
CO + H2O → CO2 + H2
رودوسپریلیوم روبروم 36
رودوباکتر اسفروئیدز 37
متانوباکتریوم ترمواتوتروفیکوم 38
متانوسارسینا بارکری39
کلوستریدیوم ترمواستیکوم 40
رودوسودومونا ژلاتینوسا 41
رودوسودومونا کپسولات 42
رودوسودومونا پالوستریس 43
روبریویواکس ژلاتینوسس44
باسیلوس سیمیتی45
رودوسودومونو پالوستریس46
سیتروباکتر امالوناتیکوس47
رودوسیکلوس ژلاتینوسس 48
کربوکسیدوترموس هیدروژنوفرمانس49
[11, 19, 41-43]
اسید استیک
2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O
4CO2 + H2O → CH3COOH + 2CO2

پپتوسترپتوکوکوس پروداکتاس50
ایوباکتریوم لیمسوم51
استوباکتریوم وودی52
استوباکتریوم ویرینگی53
کلستریدیوم ترمواستیکوم54
جدول 2-1: (ادامه)
مراجع

محصولات فرایند تخمیر
میکروارگانیزم
[11, 20, 44-48]
مخلوطی از اتانول و اسید استیک
6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2
2CO2 + 6H2 → CH3CH2OH + 3H2O
6CO + 6H2 → 2CH3CH2OH + 2CO2
4CO +2H2O → CH3COOH + 2CO2
2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O

کلستریدیوم اتواتانوژنوم 55
کلستریدیوم لانگالی 56
HUC22-1 مورلا57 گونه
استوباکتریوم کیوی 58
پتوستروتوکوکوس پروداکتوس 59
الکالیباکولوم باچی 60

[11, 24, 49-55]
مخلوطی از اتانول، بوتانول، اسید استیک و اسید بوتیریک
6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2
4CO + 2H2O → CH3COOH + 2CO2
12CO + 5H2O → C4H9OH + 8CO2
10CO + 4H2O → C4H9OH + CO2
12H2 + 4CO2 → C4H9OH + 7H2O

ایوباکتریوم لیمسوم 61
کلستریدیوم کربوکسیدیوورانس 62
بوتیریباکتریوم متیلوتروفیکوم63
[19, 45]
متان
4H2 + CO2 → CH4 + H2O
4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
متانوسپریلیوم هانگاتی64
متانوباکتریوم فورمیسیکوم 65
متانوبریویباکتر اسمیتو66
متانوسارسینا بارکری67
متانوباکتریوم ترمواوتوتروفیکوم68

آنزیم کربن منوکسایددی هیدروژناز69 (CODH) الکترونها و پروتونهای لازم برای انتقال الکترون از طریق نیمه واکنش (2-1) برای CO را فراهم می کند و آنزیم هیدروژناز انرژی مورد نیاز برای رشد سلول را با کاتالیز کردن نیمه واکنش هیدروژن (2-2) تامین می کند. واکنش کلی جابجائی آب-گاز از مجموع دو نیمه واکنش (2-1) و (2-2) حاصل می شود:
CO + H2O→ CO2 + H2 ∆G= 1/20- kJ/mol (2-3)
واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز 46/4 کیلوکالری انرژی به ازای هر مول CO تولید می کند در حالی که فرایند تبدیل هوازی قادر به تولید 1/61 کیلوکالری انرژی به ازای هر مول CO از طریق واکنش زیر است:
CO + O2 → CO2 (2-4)
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 ژلاتینوسس70در 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 همکارانش71 [33] گونه ای از باکتری سیتروباکتر72 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 پالوستریس73 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- کموهتروتروف74 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-فتوتروف75 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].
واکنش جابجائی آب-گاز بیولوژیکی که در آن از ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک برای تولید H2از طریق اکسیداسیون CO استفاده می شود به شدت به عملکرد بیوکاتالیست وابسته است و تاکنون گونه های متفاوتی برای انجام این واکنش جداسازی شده اند [60]. لیستی از ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک مختلفی که برای تولید H2 مورد استفاده قرار گرفته اند و خلاصه ای از شرایط به کار گرفته شده برای تخمیر CO در جدول 2-2 ارائه شده است.

مراجع
محصول
میزان تبدیل (%)
دانسیته

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، ایالات متحده، جاری سازی، تجاری سازی Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره دی اکسید کربن