دانلود پایان نامه ارشد : تولید اتانول و استات از گاز سنتز با استفاده از باکتری کلستریدیوم لانگالی

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

، 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

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

و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 8/6 126

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

و CO.. 134

شکل ‏4‑16: استفاده از مدل ولترا برای توصیف پروفایل رشد سلولی در فشارهای مختلف گاز 136

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

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

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

167

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