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

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

لیست علایم و اختصارات