منابع پایان نامه ارشد درباره مقیاس تجاری، بازدارندگی، اکسیداسیون

دانلود پایان نامه ارشد

l CO
04/0 mol acetate/mol CO

XCO: 60%
35/0
2/5
37
17 روز
راکتور ستون حبابی
CO/CO2/N2 (25:15:60)
کلستریدیوم کربوکسیدیوورانس
جدول 2-3 (ادامه)
مراجع
محصول
میزان تبدیل (%)
دانسیته سلولی
(گرم بر لیتر)
pH
دما
(سانتیگراد)
زمان
محیط کشت
سوبسترای گازی
(درصد حجمی)
میکروارگانیزم
[23]
26/25 g ethanol /l (59 روز)
25/9 g 2-propanol /l (24 روز)
82/4 g acetate/l (24 روز)
47/0 g butanol /l (13 روز)


13/1

5
37
59 روز
راکتور همزن دار پیوسته
CO/H2/CO2/N2 (20:5:15:60)
P11کلستریدیوم گونه

[86]
297/0 mol ethanol/mol acetate (H2/CO2)
658/0 mol ethanol/mol acetate (CO/CO2)

1/0 (H2/CO2)
2 25/0 (CO/CO2)

4/5
37
28 ساعت
ناپیوسته
H2/CO2 (75:25) or CO/CO2 (80: 20)
کلستریدیوم لانگالی
[55]

3/1 g acetic acid /l,
/ 4/0 g butyric acid /l
/ 08/0 g ethanol /l

XCO: 100%

35/0
9/6
37
144 ساعت
ناپیوسته
CO/CO2 (70:30)
بوتیریباکتریوم متیلوتروفیکوم
[87]
89/1 g ethanol/l
45/1 g acetate/l

95/0
6
32
15 روز
ناپیوسته
CO/H2/CO2/N2 (20:5:15:60)
کلستریدیوم راگسالی

2-3-1 کلستریدیوم لانگالی
باکتری کلستریدیوم لانگالی برای اولین بار در سال 1989 در دانشگاه آرکانزاس، از محیط کشتی که با فضولات مرغ91 در 5pH= تلقیح شده و در دمای 37 درجه سانتیگراد تحت اتمسفر گاز سنتزی حاوی CO، H2، CO2 و CH4 (به ترتیب 73، 15، 10 و 2%) انکوبیت شده بود جداسازی گردید. این ارگانیزم جداسازی شده برای تقدیر از پژوهشها و زحمات لارس لانگال92 در مطالعه استوژنها و کلستریدیا به نام کلستریدیوم لانگالی نامیده شد [46]. میکروگراف TEM این باکتری در شکل 2-1 نشان داده شده است.

شکل ‏21: میکروگراف TEM باکتری کلستریدیوم لانگالی [46]

همه گونه های باکتری لانگالی بی هوازی و گرم مثبت93 بوده و حاوی 22% مولی نوکلئوتید گوانین94 و سیتوزین95 (G+C) هستند [46 12,]. باکتری توسط تاژک96 حرکت می کند و سلولها به ندرت اسپورزایی97 می کنند [88]. گونه های مختلف این باکتری می توانند به صورت اتوتروف98 با CO یا H2/CO2 رشد کرده و یا به صورت کموارگانوتروف99 با انواعی از سوبستراها از جمله فرمات، اتانول، پیروات، فرمارات، اریتروز100، ترئوز101، آرابینوز102، زایلوز، گلوکز و فروکتوز رشد کند [46]. تحمل گونه های مختلف این باکتری در برابر CO یکسان نیست، همچنین نرخ مصرف سوبسترای گازی و تولید محصول در آنها متفاوت است. میزان تولید اتانول در گونه های “وحشی103” این باکتری که در طبیعت یافت می شوند بسیار کم است. درگونه هایی از باکتری لانگالی که در دمای37 درجه سانتیگراد فعالیت می کنند میزان تولید اتانول به استات (که ممکن است به صورت اسید استیک یا نمک استات باشند) 1 به 20 در حالت “وحشی” است. میزان اتانول تولیدی عموما 2-1 گرم در لیتر است. با وجود آنکه توانایی این باکتری برای تولید اتانول مورد توجه زیادی قرار گرفته است، اما به دلیل کم بودن میزان اتانول تولیدی نمی توان از گونه “وحشی” باکتری برای تولید اتانول در مقیاس تجاری استفاده کرد. با اندکی دستکاری در ترکیب مواد مغذی می توان به بازده تولید 1 به 1 اتانول و استات رسید اما میزان اتانول تولیدی کمتر از 10 گرم بر لیتر است که موجب بازده محصول کم (10 گرم در لیتر در روز) می گردد. علاوه بر این، پایداری محیط کشت نیز مساله است که در درجه اول به غلظت بالای اسید استیک (3-5/2 گرم در لیتر) در کنار اتانول مربوط می شود. با افزایش شدت جریان گاز به منظور بهبود تولید اتانول، اثرات بازدارندگی روی محیط کشت ابتدا توسط استات و سپس CO ظاهر می گردد. در نتیجه، محیط کشت ناپایدار شده و توانایی خود را برای مصرف گاز و تولید محصول از دست می دهد [12]. مطالعاتی برای افزایش تولید اتانول توسط این باکتری انجام گرفته است که در ادامه به آنها اشاره می گردد.

2-4 مسیر متابولیکی 104 استوژنها
مسیر متابولیکی وود-لانگال105 برای اولین بار توسط وود106 و لانگال107 برای استوژنها پیشنهاد گردید. این مسیر متابولیکی، تبدیل CO و H2 به استیل-کوآنزیمA 108 و محصولاتی نظیر استات را هدایت می کند. از آنجا که در این مسیر، استیل-کوآنزیم A به عنوان یک ترکیب واسطه است و کربن منوکسید دی هیدروژناز به عنوان یک انزیم کلیدی حضور دارند، این مسیر اغلب با عنوان “مسیر استیل-کوآنزیمA ” یا “مسیر کربن منوکسید دی هیدروژناز” نامیده می شود[74] . باکتریهای استوژنیک از مسیر استیل-کوآنزیمA به عنوان مکانیزم غالب برای سنتز استیل-کوآنزیم A از CO2 استفاده می کنند [11]. به طور کلی، ارگانیزمهایی که CO را مصرف می کنند این توانایی را دارند که CO2 و CO2/H2 را نیز با استفاده ازهمان آنزیمها و مکانیزم مشابه از طریق مسیر استیل-کوآنزیم A مصرف کنند. در واقع، توانایی میکروارگانیزمها برای تبدیل CO2 به استات در حضور H2 مدتها قبل از آنکه به قابلیت این ارگانیزمها برای مصرف CO پی برده شود، کشف شد .[12]
مسیر استیل-کوآنزیمA ورودی پذیرنده الکترون برای فرایندی است که ذخیره کننده انرژی بوده و جذب CO2 به درون بیومس و اجزای سلولی، به خصوص در ارگانیزمهای اتوتروف، از طریق این مسیر انجام می گیرد[89]. این مسیر متابولیکی برگشت ناپذیر و غیر سیکلی بوده و در شرایط به شدت بی هوازی اتفاق می افتد و فرایند تخمیر باکتریایی استوژنها را هدایت می کند [83, 90]. مقدار ATPخالص تولید شده در این مسیر برای فراهم کردن انرژی لازم برای رشد سلولها صفر می باشد [86]. این مسیر برای سنتز استیل-کوآنزیم A از دو شاخه متیل و کربونیل تشکیل می شود که از طریق آنها CO2 به وسیله چندین واکنش آنزیمی تا سطح متیل و کربونیل کاهیده می شود. مسیر متابولیکی استیل-کو آنزیم A برای باکتریهای استوژنیک به صورت شماتیک در شکل 2-2 ارائه شده است [11, 12, 28, 29, 74, 91].

شکل ‏22: مسیر متابولیکی استیل-کو آنزیم A برای باکتریهای استوژنیک

در شاخه متیلِ مسیر متابولیکی استیل-کوآنزیمA ، در مرحله اول CO2 طبق واکنش زیر به فرمات (HCOO-) کاهیده می شود [92]:
CO2 + NADPH → HCOO- + NADP+ (2-5)
این واکنش به صورت برگشت پذیر توسط آنزیم فرمات دی هیدروژناز109 که CO2 را به فرمات کاهش می دهد کاتالیز می شود [11, 92]. فرمات تولید شده به عنوان ماده اولیه در سنتز شاخه متیلِ مسیر استیل-کوآنزیم A عمل می کند. فرمات توسط تتراهیدروفولیت110(H4folate) فعال شده و توسط آنزیم سنتزکننده10-فرمیل-تتراهیدروفولیت111 و واکنش زیر به 10-فرمیل-تتراهیدروفولیت تبدیل می شود [14, 92]:
HCOOH + H4folate + ATP → HCO-H4folate + ADP + Pi (2-6)
آنزیم سیکلوهیدرولاز112 این ترکیب واسطه را به 10و5-متنیل-تتراهیدروفولیت سیکلوهیدروژناز113 تبدیل می کند [14, 92]:
HCO-H4folate + H+ → CH-H4folate+ + H2O (2-7)
در واکنش کاهشی بعدی که به NADPH وابسته است، 10و5-متنیل-تتراهیدروفولیت توسط آنزیم متیلن-تتراهیدروفولیت دی هیدروژناز114 به 10و5-متیلن-تتراهیدروفولیت کاهیده می شود [14, 92]:
CH-H4folate+ + NADPH → CH2-H4folate + NADP+ (2-8)
سپس آنزیم متیلن-تتراهیدروفولیت رداکتاز115 این ترکیب واسطه را به (S6)-5-متیل-تتراهیدروفولیت کاهش می دهد [92]:
CH2-H4folate + ferredoxinred → CH3-H4folate + ferredoxinox (9-2)
در آخرین مرحله از سنتز متیل، متیل-تتراهیدروفولیت به مرکز کبالت پروتئینِ کرینوئید/آهن-سولفور منتقل می شود. برای آنکه کرینوئید یک گروه متیل از 5-متیل-تتراهیدروفولیت بپذیرد باید حتما کاهیده شود. این کاهش توسط فردوکسین کاهش یافته انجام می شود که ممکن است از پیروات و پیروات-فردوکسین اکسیدرداکتاز116 یا CO و CODH مطابق واکنش زیر تولید شده باشد [92]:
[Co+3-E] + 2ferredoxinred → [Co+-E] + 2ferredoxinox (2-10)
سپس، کرنوئید کاهش یافته توسط آنزیم ترنس متیلاز117 طبق واکنش زیر کاهیده می شود [92]:
[Co+-E] + CH3-H4folate → [CH3-Co-E] + H4folate (2-11)
در شاخه کربونیلِ مسیر متابولیکی استیل کوآنزیم A، یک گروه کربونیل تشکیل می شود که سپس با گروه متیل که در شاخه متیل سنتز شده است در هم می پیوندند تا استیل کوآنزیم A به وجود آید. آنزیم CODH نقش مهمی را در شاخه کربونیل ایفا می کند. این آنزیم CO2 را مطابق واکنش زیر به CO کاهش می دهد [11]:
CO2 + 2H+ + 2e- → CO + H2O (2-12)
آنزیم کلیدی Ni-CODH به دو گروه تقسیم می شود: 1) CODH تک عملکردی؛ واکنش اکسیداسیون CO به CO2 را کاتالیز می کند که متعاقبا می تواند به فرمات و سپس گروه متیل در مسیر استیل کوآنزیمA کاهیده شود و 2) CODH دو عملکردی؛ CO2را هنگامی که گروه کربونیل در مسیر استیل کوآنزیمA سنتز می شود به CO کاهش می دهد و همچنین همراه با آنزیم سنتز کننده استیل کوآنزیم A (ACS)، استیل کوآنزیم Aرا تولید می کند [14]. در آخرین مرحله از سنتز استیل کوآنزیم A، CO (نیمه کربونیل) با گروه Co-متیلِ کرنوئید متیل دار شده (نیمه متیل) و کوآنزیم A متراکم می شود تا استیل کوآنزیم A را مطابق واکنش (2-13) تولید کند. این واکنش کاهشی در حضور آنزیمهای CODH/ACS انجام می گیرد [14, 92]:
[CH3-Co-E] + CO + HS-CoA → CH3COS-CoA + [Co-E] (2-13)
استیل کوآنزیمA تولید شده یک ماده اولیه ایده ال برای سنتز اجزای سلولی همچون اسیدهای آمینه، نوکلئوتیدها، لیپیدها و کربوهیدراتهاست [92]. استیل کوآنزیم A می تواند به عنوان منبع کربن و انرژی در مسیر آنابولیکی و کاتابولیکی مورد استفاده قرار گیرد. در مسیر آنابولیک، استیل کوآنزیم A در حضور آنزیم سنتز کننده پیروات118 به پیروات کربوکسیله می شود. سپس، پیروات به فسفوانول پیروات119 که یک ترکیب واسطه در تشکیل اجزای سلولی است تبدیل می گردد. در مقابل، در مسیر کاتابولیکی، استیل کوآنزیم A دستخوش یک سری واکنش می شود تا ATP و استات تولید کند. تبدیل استیل کوآنزیم A به استات از طریق تشکیل استیل-فسفات(CH3COO-P32-) به عنوان یک ترکیب واسطه صورت می گیرد[11, 74] :
CH3COS-CoA + Pi → CH3COO-P32- + HS-CoA (2-14)
واکنش (2-14) توسط آنزیم فسفوترانس استیلاز120 کاتالیز می شود. در واکنش بعدی، استیل-فسفات به استات تبدیل می شود در حالیکه یک مولکول ADP در حضور آنزیم استات کیناز121 به ATP فسفریله می شود [74]:
CH3COO-P32- + ADP → CH3COOH + ATP (2-15)
این مرحله از متابولیزم که منجر به تولید استات می شود اغلب به عنوان فاز استوژنیک (تولید اسید) شناخته می شود و باکتریهای استوژنیک آن را به مسیری که منجر به تولید الکل می شود ترجیح می دهند. تبدیل استیل کوآنزیم A به استات و ATP در فاز رشد انجام می گیرد، در حالیکه تولید اتانول و NADP در فاز عدم رشد122 صورت می پذیرد. بنابراین، در فاز سالونتوژنیک123 (تولید حلال) که اتانول از استیل کوآنزیم A تولید می شود رشد سلولی کند بوده و هیچ مولکول ATP ای در این فاز تولید نمی شود. در این فاز از فرایند تخمیر، پتانسیل کاهشی به شکل NADH توسط ارگانیزم مصرف می شود تا در حضور آنزیم استالدئید دی هیدروژناز124، استالدئید (CH3CHO) تولید کند [11]:
CH3COS-CoA + NADH + H+ → CH3CHO + NAD+ + HS-CoA (2-16)
CH3CHO + NADH + H+ → CH3CH2OH + NAD+ (2-17)
استالدئید تولید شده در حضور آنزیم الکل دی هیدروژناز125 به اتانول تبدیل می گردد.

2-5 عوامل موثر در تخمیر گاز سنتز
پارامترهای متعددی در فرایند تخمیر گاز سنتز نقش دارند که عبارتند از: ترکیب و غلظت مواد مغذی، دما، pH محیط کشت، میزان مایه تلقیح126، شدت جریان گاز و مایع، سرعت همزدن، حداکثر غلظت گاز که بازدارنگی سوبسترا ایجاد نمی کند و

پایان نامه
Previous Entries منابع پایان نامه ارشد درباره دی اکسید کربن Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره مواد معدنی، هزینه تمام شده، بازدارندگی