دانشکده مهندسی
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
لیست علایم و اختصارات
استات
Ac
ثابت مربوط به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفاده
C
غلظت CO در جریان ورودی به بیوراکتور (میلی مول بر لیتر)
CCO,in
غلظت CO در جریان خروجی از بیوراکتور (میلی مول بر لیتر)
CCO,out
قطر بیوراکتور (متر)
Dt
قطر پروانه همزن (متر)
Di
اتانول
EtOH
فاکتور تصحیح
fc
ثابت هنری (اتمسفر لیتر بر میلی مول)
H
محصول (اتانول یا استات)
i
ثابت کاهش یا افزایش رشد سلول (بر ساعت)
k
ضریب انتقال جرم در فاز گاز (بر ساعت)
kgas
ثابت بازدارندگی CO (اتمسفر)
KI, CO
ضریب انتقال جرم حجمی (بر ساعت)
KLa
ضریب انتقال جرم در فاز مایع (بر ساعت)
kliq
ثابت سرعت واکنش درجه اول (بر ساعت)
kp
ثابت مونود برای CO (اتمسفر)
Ks,CO
ثابت مونود برای H2 (اتمسفر)
Ks,H2
ثابت موزر برای سوبسترای i (گرم بر لیتر)
m
ثابت مدل لانگ
n
سرعت همزن (دور در دقیقه)
Ni
مولهای CO در فاز گاز (میلی مول)
توان همزن (وات)
P
فشار CO محلول در فاز مایع در هر لحظه (اتمسفر)
فشار CO
